CN110869592B - 直喷式内燃机的燃烧室构造 - Google Patents

Abstract

直喷式内燃机的燃烧室构造包括：空腔(11)，其被凹陷设置于活塞顶面(8)的中央部；以及活塞顶面的外周部(20)，其位于空腔的径向外侧。活塞顶面的外周部包括第1锥面部(21)、以及第2锥面部(22)，该第1锥面部(21)与界定空腔的空腔内壁(30)连接，并位于其径向外侧，相对于垂直于活塞中心轴的虚拟平面而具有第1倾斜角(θ1)，该第2锥面部(22)与第1锥面部连接，并且位于其径向外侧，相对于垂直于活塞中心轴(C)的虚拟平面(f)而具有第2倾斜角(θ2)，上述第2锥面部(22)的上述第2倾斜角(θ2)大于上述第1锥面部(21)的上述第1倾斜角(θ1)。

Description

直喷式内燃机的燃烧室构造

技术领域

本公开涉及直喷式内燃机的燃烧室构造，尤其涉及适于柴油引擎的燃烧室构造。

背景技术

作为柴油引擎的直喷式内燃机的燃烧室构造一般包括被凹陷设置于活塞顶面的中央部的空腔。并且，通过在压缩上止点附近向该空腔喷射燃料，从而使燃料在缸内自点火。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平2-149719号公报

专利文献2：日本特开平3-279617号公报

专利文献3：日本特开2006-125388号公报

发明内容

发明要解决的课题

在许多情况下，位于空腔的径向外侧的活塞顶面的外周部为单纯的平面，即平坦面。但是，根据本发明人专心研究的结果判明：当为这样的平面时，无法有效率地利用其上方空间的空气，对于烟雾的抑制是不利的。

因此，本公开鉴于上述情况而独创，提供一种能够有效地抑制烟雾的直喷式内燃机的燃烧室构造。

用于解决课题的手段

根据本公开的一个方案，

直喷式内燃机的燃烧室构造包括：

空腔，其被凹陷设置于活塞顶面的中央部，以及

上述活塞顶面的外周部，其位于上述空腔的径向外侧；

上述活塞顶面的外周部包括：

第1锥面部，其与界定上述空腔的空腔内壁连接，并位于其径向外侧，相对于垂直于活塞中心轴的虚拟平面具有第1倾斜角，以及

第2锥面部，其与上述第1锥面部连接，并且位于其径向外侧，相对于垂直于活塞中心轴的虚拟平面具有第2倾斜角；

上述第2锥面部的上述第2倾斜角大于上述第1锥面部的上述第1倾斜角。

也可以是，在上述直喷式内燃机的燃烧室构造中，上述第1倾斜角的角度大于0度。

也可以是，在上述直喷式内燃机的燃烧室构造中，上述第1锥面部及上述第2锥面部被形成为：在活塞下降中，浓燃区域沿上述第1锥面部及上述第2锥面部依次向径向外侧移动时，随着上述浓燃区域的移动而使纵向的涡流移动。

也可以是，在上述直喷式内燃机的燃烧室构造中，上述活塞顶面的外周部还包括平面部，该平面部与上述第2锥面部连接，并且位于其径向外侧，且与活塞中心轴垂直。

也可以是，在上述直喷式内燃机的燃烧室构造中，上述空腔内壁具有底壁部，上述底壁部具有随着靠近活塞中心轴而逐渐变高的斜面部；

上述斜面部包括：

第1弯曲面部，其位于上述斜面部中的径向外侧，被形成为在上述底壁部的上方具有第1曲率半径的中心的截面圆弧状，以及

第2弯曲面部，其与上述第1弯曲面部连接，并且位于其径向内侧，被形成为在上述底壁部的下方具有第2曲率半径的中心的截面圆弧状。

也可以是，在上述直喷式内燃机的燃烧室构造中，上述第2曲率半径大于上述第1曲率半径。

优选的是，上述空腔为凹腔(reentrant)型空腔。

发明效果

根据本公开，能够有效地抑制烟雾。

附图的简要说明

图1是表示本公开的实施方式的活塞的纵剖视图。

图2是表示第1特定定时的燃烧室的内部情况的纵剖视图。

图3是表示第2特定定时的燃烧室的内部情况的纵剖视图。

图4是表示第3特定定时的燃烧室的内部情况的纵剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本公开的实施方式。另外，应注意的点是，本公开不被限定于以下实施方式。

本实施方式的燃烧室构造被应用于作为直喷式内燃机的代表例的柴油引擎。引擎为车辆用，尤其被作为货车等大型车辆的车辆动力源而使用。然而，内燃机及车辆的种类、用途等并不被限定于此。例如，车辆也可以为乘用车等小型车辆，引擎也可以为汽油引擎。

如图2所示，本实施方式的燃烧室构造1包括：活塞2；汽缸3，其可供活塞2升降且将其同轴地容纳；汽缸盖4，其关闭汽缸3的上端开口；多个(在本实施方式中为三个，仅图示一个)活塞环5，其被安装于活塞2的外周面；以及燃烧室6，其为由上述构件界定的闭空间。此外，如图1所示，燃烧室构造1包括喷射器7，该喷射器7向被安装于汽缸盖4上的燃烧室6内喷射燃料。

如图1所示，活塞2被构成为大致相对于活塞中心轴C而成轴对称。除非特别指明，否则将以活塞中心轴C为基准的轴向、径向及周向简称为轴向、径向及周向。活塞2具有顶面(活塞顶面)8、以及外周面9。在外周面9，形成有用于使活塞环5嵌合的多个(在本实施方式中，为三个)环槽10。

活塞2具有被凹陷设置于顶面8的中央部的空腔11。本实施方式的空腔11是凹腔型空腔，为上方的入口侧相对于下方的底部侧而收束的形状。空腔11由空腔内壁30界定。空腔内壁30包括：唇部12，其界定空腔11的入口部，并且被与顶面8连续地连接，并向径向内侧突出；侧壁部13，其被与唇部12连续地连接，并在唇部12的下方根切(undercut)状地扩径；以及底壁部14，其被与侧壁部13连续地连接。以a来表示顶面8与唇部12的连接位置(或分界位置)，以b来表示唇部12与侧壁部13的连接位置，以c来表示侧壁部13与底壁部14的连接位置。

唇部12的截面形状被设为具有曲率半径R1的圆弧状，侧壁部13的截面形状也被设为具有曲率半径R2的圆弧状。R1小于R2。另外，也可以是，唇部12的截面形状为在圆弧与圆弧之间夹有直线的形状。底壁部14的截面形状被设为山峰形状。底壁部14具有随着靠近活塞中心轴C而逐渐变高的斜面部16。斜面部16从侧壁部13与底壁部14的连接位置c延伸到位于活塞中心轴C上的底壁部14的顶点位置d为止。

斜面部16包括第1弯曲面部31、以及第2弯曲面部32，该第1弯曲面部31位于斜面部16中径向外侧，该第2弯曲面部32被与第1弯曲面部31连续地连接，并且位于第1弯曲面部31的径向内侧。以e来表示第1弯曲面部31与第2弯曲面部32的连接位置。第1弯曲面部31被形成为在底壁部14或斜面部16的上方具有第1曲率半径R3的中心或基点S3的截面圆弧状。另一方面，第2弯曲面部32被形成为在底壁部14或斜面部16的下方具有第2曲率半径R4的中心或基点S4的截面圆弧状。因此，第1弯曲面部31和第2弯曲面部32在宏观看来，整体上具有“S”字状的截面形状，说的明确些，呈将彼此方向相反的弧形在连接位置e处连接而成的截面形状。

另外，应注意的点是，图示的曲率半径的长度及朝向、以及曲率半径的中心位置仅被概略地示出，并不准确。

在本实施方式的情况下，第2曲率半径R4大于第1曲率半径R3。第1弯曲面部31位于斜面部16的径向最外侧，并在连接位置c处被与侧壁部13直接且连续地连接。第2弯曲面部32从与第1弯曲面部31的连接位置e延伸到底壁部14的顶点位置d为止，即，除了第1弯曲面部31的部分以外的整个斜面部16或底壁部14为第2弯曲面部32。

另外，所谓“连续地连接”，是指在连接位置尽可能不产生台阶或凹凸那样的平滑的连接形态。通过进行这样的平滑的连接，能够抑制燃烧室内气体在连接位置处的滞留，使流动活跃，从而良好地进行燃烧。

在位于侧壁部13的径向外侧的活塞2的内部，形成有供用于冷却活塞2的油流动的冷却通路17。冷却通路17被设为围绕空腔11的环状。由喷油嘴(未图示)从活塞2的下侧向上向活塞2喷出的油被导入到冷却通路17中，贯穿冷却通路17与活塞2的下表面19之间地形成有进行被导入的油的排出的油出口孔18。

位于空腔11的径向外侧的顶面8构成顶面8的外周部20。具体而言，顶面外周部20为顶面8的位于比顶面8与唇部12的分界位置a靠径向外侧处的部分。

该顶面外周部20包括：第1锥面部21，其被与唇部12连续地连接，位于唇部12的径向外侧；以及第2锥面部22，其被与第1锥面部21连接，并且位于其径向外侧。此外，本实施方式的顶面外周部20还包括平面部23，该平面部23被与第2锥面部22连接，并且位于其径向外侧。

第1锥面部21由相对于垂直于活塞中心轴C的虚拟平面f倾斜第1倾斜角θ1的锥面形成。同样，第2锥面部22由相对于垂直于活塞中心轴C的虚拟平面f倾斜第2倾斜角θ2的锥面形成。第2倾斜角θ2大于第1倾斜角θ1，因此，第2锥面部22具有比第1锥面部21更大的倾斜角θ2。第1锥面部21及第2锥面部22被设为高度会随着趋向径向外侧而变高的锥面。因此，随着趋向径向外侧，锥面部的倾斜角会阶梯性地变大，第1锥面部21及第2锥面部22形成二级锥形。

第1倾斜角θ1具有比零略大的值，例如约为10°。第2倾斜角θ2具有比90°小的值，例如约为30°。

另一方面，平面部23由垂直于活塞中心轴C的平面或平坦面形成。平面部23向径向外侧延伸到外周面9的位置为止。径向上的平面部23的宽度被设为与第1锥面部21及第2锥面部22的合计宽度相同的程度。

喷射器7如图1所示，被与活塞中心轴C即汽缸中心轴同轴地配置。此外，如箭头g所示，喷射器7被配置及定向，以使得在活塞2位于压缩上止点或其附近时，向唇部12的顶部，即位于径向最内侧的部分喷射燃料。另外，也可以向唇部12的顶部的略下侧喷射燃料。

接着，对本实施方式的作用效果进行说明。

图2表示来自喷射器7的燃料喷射后且活塞2下降中时的第1特定定时(例如压缩上止点后(ATDC)15℃A)的燃烧室6的内部情况。线h表示燃烧室6内的气体的当量比为第1值以上的第1区域A的外缘，线i表示气体的当量比为第2值以上的第2区域B的外缘。在此，所谓气体，是指空气或空气与燃料的混合气的总称。所谓当量比，是指燃料与空气的混合比例或混合比，在该混合比为理论空燃比时，当量比为1，该混合比越是成为燃料増加侧(浓燃侧)，当量比的值就会变得越大。在图示例的情况下，第1值约为1，第2值约为2，第2区域B为与第1区域A相比相对浓燃的区域。此外，第2区域B为即使在整个燃烧室6内看来也最为浓燃的区域。因此，在此，将第2区域B称为浓燃区域。

如从图中理解的那样，被从喷射器7向径向外侧且斜向下喷射的燃料会撞上唇部12，并被向上方和下方分岔或分流。向下方分岔的燃料流向侧壁部13，在该过程中，一边与周围的空气混合一边形成混合气。另一方面，向上方分岔的燃料沿顶面外周部20向径向外侧流动，在该过程中，一边与周围的空气混合一边形成混合气。在图示的定时，浓燃区域B覆盖唇部12、以及位于唇部12附近的第1锥面部21及侧壁部13，并存在于它们的周边。另外，虽然在图示的定时，有时也会发生点火，但在此，为了便于说明，认为未发生点火。

向唇部12的上方分岔的燃料的流动进行驱动，从而产生在顶面外周部20上去向径向外侧的气体流动。该气体会在从唇部12向第1锥面部21移动时剥离，产生纵向(或上下方向)的涡流j。因为浓燃区域B与涡流j的位置一致，所以浓燃区域B内的较浓的混合气会与位于其上方的较稀薄的混合气或空气一起由涡流j积极地搅拌混合。由此，能够促进燃料与空气的搅拌混合，从而提高顶面外周部20与汽缸盖4的间隙，即顶面外周部20的上方的空间中的空气的利用率。

接着，当活塞2进一步下降时，会成为如图3所示的状态。图3表示比第1特定定时靠后的第2特定定时(例如ATDC25℃A)的燃烧室6的内部情况。先前的唇部12周边的浓燃区域B进一步扩大，在唇部12的上方，到达第2锥面部22。

另一方面，先前的涡流j也会随着浓燃区域B的移动而向径向外侧移动，与浓燃区域B同样，到达第2锥面部22。在浓燃区域B的移动中，涡流j的至少一部分位于浓燃区域B内。因此，能够随着浓燃区域B从第1锥面部21向第2锥面部22的移动或与其联动地使涡流j移动，并能够将在该移动中利用涡流j，从而将浓燃区域B内的较浓的混合气与其上方的较稀薄的混合气或空气积极地搅拌混合。

因此，能够提高顶面外周部20与汽缸盖4的间隙，即顶面外周部20的上方的空间中的空气的利用率，从而能够有效地控制烟雾。

如此，在本实施方式中，第1锥面部21及第2锥面部22被形成为：在活塞2下降中，浓燃区域B按第1锥面部21及第2锥面部22的顺序向径向外侧移动时，随着浓燃区域B的移动而使纵向的涡流j移动。因此，能够提高顶面外周部20的上方空间中的空气利用率，从而能够有效地抑制烟雾。此外，还能够改善燃烧，从而提高燃料经济性。

因为当浓燃区域B及涡流j到达第2锥面部22时，第2锥面部22的倾斜较大，所以浓燃区域B及涡流j向径向外侧的移动会有不少阻碍，它们有要停滞的倾向。因此，能够抑制它们到达汽缸3的内壁并滞留于其附近的情况。即，当它们滞留于汽缸内壁附近时，会变得难以搅拌混合，可利用的空气会变得有限，但如果它们停滞于第2锥面部22附近，则能够在顶面外周部20的径向中央部附近进行搅拌混合，因此，能够有效利用其周围的空气，从而提高空气利用率。因此，对于抑制烟雾是有利的。

通过设置平面部23，从而能够使第2锥面部22离开汽缸3的内壁一定距离，促进这样的中央部附近的搅拌混合，提高空气利用率而抑制烟雾。

接着，当活塞2进一步下降时，会成为如图4所示的状态。图4表示比第2特定定时靠后的第3特定定时(例如ATDC45℃A)的燃烧室6的内部情况。

在该阶段中，燃烧室6内的混合气的稀薄化进展，浓燃区域B已经消失，仅存在当量比更小的(稀燃的)第1区域A。

从唇部12向下方分岔的燃料经侧壁部13流向斜面部16，并在该过程中与周围的空气混合而形成混合气。混合气一边逐渐与周围的空气混合而稀薄化，一边在斜面部16上向径向内侧流动。该流动大致为沿如以附图标记m表示那样的斜面部16的流动。

混合气依次通过第1弯曲面部31及第2弯曲面部32。但是，因为它们整体上具有“S”字的截面形状，所以在混合气从第1弯曲面部31向第2弯曲面部32移动或转移时，会产生如以附图标记k表示的那样的剥离流。即，沿第1弯曲面部31流动的混合气在转移到第2弯曲面部32时，因为第2弯曲面部32的弯曲形状相反，所以有一部分会无法追随第2弯曲面部32而剥离。由此，在紧挨连接位置e之后的下游侧，会产生向上的剥离流k。

该混合气的剥离流k与处于连接位置e的上方的空间n的空气良好地混合。因此，能够有效利用该空间n的空气，从而提高空气利用率。此外，剥离流k也具有将附着在斜面部16上的燃料剥下并以使其与空气混合的效果。因此，能够促进燃料与空气的混合，从而抑制烟雾。

因为第2曲率半径R4大于第1曲率半径R3，所以第1弯曲面部31的弯曲大于第2弯曲面部32的弯曲。因此，能够促进它们的连接位置e处的剥离，有效地产生剥离流k，从而提高空气利用率。

以上，虽然详细地叙述了本发明的实施方式，但是本发明也可以为以下那样的其它的实施方式。

(1)例如空腔也可以为凹腔型以外的形状，还可以为浅盘型、环(roroidal)型等。

(2)在上述实施方式中，将第1弯曲面部31与侧壁部13直接连接。然而，也可以是，在第1弯曲面部31与侧壁部13之间，设置将两者的圆弧状截面平滑地连接的缓和曲线部，并将第1弯曲面部31间接地连接于侧壁部13。缓和曲线部在剖视时，在与第1弯曲面部31的连接位置具有与第1弯曲面部31相同的曲率半径R3，在与侧壁部13的连接位置具有与侧壁部13相同的曲率半径R2，且从与第1弯曲面部31的连接位置到与侧壁部13的连接位置的过程中具有从R3连续地变化到R2的曲率半径。这样，会存在如下可能：能够顺利地进行混合气从侧壁部13移动到第1弯曲面部31时的移动。

(3)在上述实施方式中，第2弯曲面部32从与第1弯曲面部31的连接位置e延伸到底壁部14的顶点位置d为止，除了第1弯曲面部31的部分以外的整个斜面部16或整个底壁部14为第2弯曲面部32。然而，第2弯曲面部32至少处于与第1弯曲面部31的连接位置e附近即可，在从连接位置e起向活塞中心轴C侧比较远离的部位，未必需要设置第2弯曲面部32。因此，能够改变该部位的底壁部14，即底壁部14的中心侧的顶部的形状。例如，也可以将该顶部设为垂直于活塞中心轴C的平面状。

本公开的实施方式并非仅限于前述实施方式，由权利要求书限定的本公开的思想所包含的所有变形例或应用例、等同物均被包含在本公开之中。因此，本公开不应被限定性地解释，也能够应用于归属于本公开的思想范围内的其它任意技术。

本申请基于2017年7月11日申请的日本专利申请(特愿2017-135615)，并将其内容作为参照援引于此。

工业可利用性

根据本公开，能够有效地抑制烟雾。

附图标记说明

1 燃烧室构造

2 活塞

8 顶面

11 空腔

20 外周部

21 第1锥面部

22 第2锥面部

30 空腔内壁

B 浓燃区域

C 活塞中心轴

f 虚拟平面

j 涡流

θ1、θ2 倾斜角

Claims (6)

1.一种直喷式内燃机的燃烧室构造，包括：

空腔，其被凹陷设置在活塞顶面的中央部，以及

上述活塞顶面的外周部，其位于上述空腔的径向外侧；

上述活塞顶面的外周部包括：

第1锥面部，其与界定上述空腔的空腔内壁连接，并位于其径向外侧，相对于垂直于活塞中心轴的虚拟平面具有第1倾斜角，以及

第2锥面部，其与上述第1锥面部连接，并且位于其径向外侧，相对于垂直于活塞中心轴的虚拟平面具有第2倾斜角；

上述第2锥面部的上述第2倾斜角大于上述第1锥面部的上述第1倾斜角，

上述空腔内壁具有底壁部，上述底壁部具有随着靠近活塞中心轴而逐渐变高的斜面部；

上述斜面部包括：

第1弯曲面部，其位于上述斜面部中的径向外侧，被形成为在上述底壁部的上方具有第1曲率半径的中心的截面圆弧状，以及

第2弯曲面部，其与上述第1弯曲面部连接，并且位于其径向内侧，被形成为在上述底壁部的下方具有第2曲率半径的中心的截面圆弧状。

2.如权利要求1所述的直喷式内燃机的燃烧室构造，其中，

上述第1倾斜角的角度大于0度。

3.如权利要求1所述的直喷式内燃机的燃烧室构造，其中，

上述第1锥面部及上述第2锥面部被形成为：在活塞下降中，浓燃区域按上述第1锥面部及上述第2锥面部的顺序向径向外侧移动时，随着上述浓燃区域的移动而使纵向的涡流移动。

4.如权利要求1所述的直喷式内燃机的燃烧室构造，其中，

上述活塞顶面的外周部还包括与上述第2锥面部连接、并且位于其径向外侧且垂直于活塞中心轴的平面部。

5.如权利要求1所述的直喷式内燃机的燃烧室构造，其中，

上述第2曲率半径大于上述第1曲率半径。

6.如权利要求1～4的任何一项所述的直喷式内燃机的燃烧室构造，其中，

上述空腔为凹腔型空腔。

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