CN1492131A - 与柴油机的燃烧室结合使用的涡流室 - Google Patents

Abstract

一种与柴油机的燃烧室结合使用的涡流室包括位于主喷嘴孔的相对侧上的一对副喷嘴孔，从而把二次空气供给到涡流室中，这些副喷嘴孔如此设置，以致喷射出来的二次空气完全用于涡流室中的燃烧，因此确保了燃烧充分，并且减少了环境污染物如NOx和烟。

Description

与柴油机的燃烧室结合使用的涡流室

技术领域

本发明总的来说涉及一种柴油机的燃烧室，更加具体地说，本发明涉及与柴油机的燃烧室结合使用的涡流室的改进。

背景技术

通常，柴油机公知为环境污染物如NOx和烟的主要来源。但是，没有有效的方法来解决这些问题。公知的是，这些问题是由于发动机的不完全燃烧所引起的，而这种不完全燃烧是由于空气和燃料没有充分混合所导致的。为了解决这些问题，因此通常使用涡流辅助燃烧系统。这里是用来处理这个问题的一个例子，这个例子公开在日本专利申请No.07-97924中。参照图10，描述安装有涡流室的公知燃烧室：

在图10A和10B中，每个只是出于标记方便，右手侧(向着中心轴线103)称为(后部)，而左手侧(向着缸套104)是“前部”。图10A所示的公知燃烧室设置有缸101，该缸101具有缸盖105、往复运动的活塞102和燃烧室109。此外，缸盖105设置有凹槽106，其中接口107安装在该凹槽中。接口107设置有顶部敞开的凹槽107a，凹槽106包括底部敞开的凹槽106a。顶部敞开的凹槽107a和底部敞开的凹槽106a构成了空间108，该空间108起着涡流室的作用，在下方中这个空间称为“涡流室108”。涡流室108通过主喷嘴孔111而与燃烧室109相连通，其中主喷嘴孔111具有中心轴线113。主喷嘴孔111朝着涡流室108向前倾斜。此外，接口107设置有一对副喷嘴孔102，在压缩冲程时，迫使二次空气通过这些副喷嘴孔102进入到涡流室108中。副喷嘴孔112对称地设置在中心轴线113-114的相对侧上，如图10A所示。

但是，在上述结构中，主要缺点在于，通过这些副喷嘴孔112所喷射出的二次空气不能到达涡流室108的中心部分，因此在其内不能产生有效的涡流。在这种方法中，传统的副喷嘴孔112不能使二次空气得到充分利用。

上述缺点是由于副喷嘴孔112的下面布置所导致的：当假定圆(实际上是球形)115被假设成绕着顶部敞开的凹槽107a的开口端107b的中心，并且开口端107b的半径和圆115的半径各自被假设为100％和70％。

在图10A和10B中，半径为70％的圆115向外通过，而半径为50％的圆115向内通过。在这种情况下，副喷嘴孔112中的每一个的中心轴线112a-112b在圆115的外部通过。

在另一方面，副喷嘴孔112使它们的中心112c偏离涡流室108的中心，因此每个副喷嘴孔112的中心轴线112a-112b不会通过50％的圆115的内部。

因此，本发明的目的是提供一种改进的涡流室，该涡流室可以产生有效涡流从而帮助空气和燃料很好地进行混合，并且使燃料在涡流室内很好地散开。

本发明的另一个目的是提供一种改进的涡流室，该涡流室可以减少NOx和烟的产生，而在传统系统中不能减少NOx和烟中的一个或者另一个的产生。

本发明的概述

根据本发明，涡流室与燃烧室结合使用，其中燃烧室由活塞、缸和缸盖限定出，该涡流室包括：接口，它安装在缸盖的孔中，该孔具有底部敞开的凹槽，并且该接口包括顶部敞开的凹槽，底部敞开的凹槽和顶部敞开的凹槽构成了涡流室的空间；主喷嘴孔，它形成通过接口的底壁，从而允许涡流室在燃烧室和涡流室之间形成连通；及一对副喷嘴孔，这些孔形成通过接口的底壁，这些孔对称地设置在主喷嘴孔的中心轴线的相对侧上；其中每个副喷嘴孔布置成在假定的第一圆内通过，该第一圆的半径为假定的第二圆的半径(100％)的70％，其中该第二圆绕着顶部敞开的凹槽的中心画出。

附图的简短描述

图1整体上是示意图，它解释了本发明的第一实施例；图1A是平面视图，图1B是沿着图1A的线B-B所截取的横剖视图；图1C是底视图，及图1D是沿着线D-D所截取的横剖视图；

图2整体上是示意图，它示出了图1所示的接口的喷嘴孔；图2A是接口的垂直横剖侧视图，图2B是喷嘴孔的透视图；图2C是沿着图2A中的箭头C所示方向看去的喷嘴孔的示意图；及图2D是喷嘴孔的底视图；

图3整体上是示意图，它示出了图1所示的涡流室；图3A是安装有活塞的缸的水平横剖视平面图；及图3B是涡流室和周围零件的横剖视侧视图；

图4是示意图，它与没有副喷嘴孔的对比例子1相比较地示出了在图3所示第一实施例的情况下废气中的NOx含量；

图5是示意图，它与对比例子1和2相比较地示出了在图3所示第一实施例的情况下所排出的NOx和烟的量；

图6整体上是示意图，它示出了副喷嘴孔的横截面积和从图3的涡流室中所排出的气体的特性之间的关系；图6A示出了NOx量相对于横截面积的变化；图6B示出了烟量相对于横截面积的变化；及图6C示出了NOx和烟的总量相对于横截面积的变化；

图7整体上是示意图，它解释了第一实施例的接口；图7A是平面视图，图7B是沿着图7A的线B-B所截取的横剖视图；图7C是底视图，及图7D是沿着图7B的线D-D所截取的横剖视图；

图8整体上是示意图，它解释了第三实施例的接口；图8A是平面视图，图8B是沿着图8A的线B-B所截取的横剖视图；图8C是底视图，及图8D是沿着图8B的线D-D所截取的横剖视图；

图9整体上是示意图，它解释了第四实施例的接口；图9A是平面视图，图9B是沿着图9A的线B-B所截取的横剖视图；图9C是底视图，及图9D是沿着图9B的线D-D所截取的横剖视图；及

图10整体上是示意图，它示出了公知的涡流室；图10A是接口和活塞的平面视图；及图10B是涡流室和周围零件的垂直横剖视侧视图。

一些优选实施例的描述

在所有附图中，相同标号用来表示相同零件，并且在图1B、3B、7B、8B、9B和2A中，只是为了便于解释，右手侧是“前部”，而左手侧是“后部”。第一实施例示出在图1到6中，在这些附图中，一对副喷嘴孔12与缸1的中心轴线3相平行地直立设置。这个与图7所示的第二实施例相同，但是在图8所示的第三实施例和图9所示的第四实施例中，副喷嘴孔12各自稍稍会聚，并且各自向着它们的顶部敞开端稍稍分散。所有这些实施例所共有的特征是，这些副喷嘴孔与主喷嘴孔隔开，并且在主喷嘴孔的相对侧上对称设置。此外，这些副喷嘴孔形成在前侧上。

在图3B中，往复运动的活塞2设置在缸1内，而活塞2沿着该缸1的中心轴线3上下运动。缸1具有头部5，而该头部5具有凹槽6，其中接口(mouthpiece)7安装在凹槽6中。凹槽6包括底部敞开的凹槽6a，而接口7包括顶部敞开的凹槽7a。底部敞开的凹槽6a和顶部敞开的凹槽7a构成了空间8，该空间8用作涡流室。缸1设置有燃烧室9，该燃烧室具有通过接口7的主喷嘴孔11。燃烧室9和涡流室8通过主喷嘴孔11而相互连通，而主喷嘴孔11从燃烧室8向着涡流室8向前地倾斜，如图3B所示。接口7在垂直于缸1的中心轴线3的平面上具有下表面7d。

最好如图3B所示，燃料喷嘴19和加热塞20设置成向着涡流室8。活塞1设置有三角形凹槽21，该凹槽21适合给气流进行导向，其中凹槽21的根部设置成紧接在主喷嘴孔11的下方，并且最好如图3A所示，凹槽21远离主喷嘴孔11地逐渐增大，最好如图3B所示。

位于固定有涡流室8的燃烧室9下方的因素如下：

在压缩冲程中，活塞2升高，因此把压缩空气加入到涡流室8中以便在其内产生涡流。当活塞2到达上死点时，通过喷射喷嘴19来喷射燃料。在涡流室8中，该燃料与空气进行混合，并且点燃燃料和空气的可燃混合物，该混合物在室8内进行燃烧，其结果是，它的体积膨胀了。膨胀气体通过主喷嘴孔11而进入燃烧室9中。当新鲜的可燃混合物离开主喷嘴孔11进入到三角形凹槽21中，时它进行膨胀。在燃烧室9内，新鲜的可燃混合物中的燃料量与空气进行混合，并且该混合物被点燃并燃烧。

将描述这些副喷嘴孔12：

在图1A到1D中，特别是在图1B和1D中，通过接口7的底壁10来成对设置这些副喷嘴孔12。每个副喷嘴孔12远离主喷嘴孔11，因此根据主喷嘴孔11的形状，它们相对于主喷嘴孔11的中心轴线13或者相对于它的延伸部14对称地设置。

图1A、1B和1D示出了绕着中心7c的假定圆15(实际上是球形)，其中，中心7c是凹槽7a的敞开端7b的中心。敞开端7b的半径假定为100％，而圆的半径假定为50％。每个副喷嘴孔12如此设置，以致它的中心轴线12a-12b通过球15，或者在附图中，通过圆15。

优选地，圆15的半径是70％；更加优选的是，圆15的半径是60％，最优选的是，圆15的半径是50％。在图1A、1B和1D中，与50％、60％和70％相一致地各自画出了最内部的圆、中间圆和最外部的圆15。已证实，副喷嘴孔12的角度定位的这个范围使得二次空气聚集在涡流室8的中心处，因此可以使空气的绝大部分喷射通过副喷嘴孔12并且在涡流室8内产生有效涡流。

作为优选实施例，图1A示出了：每个副喷嘴孔12的敞开端的中心12c与半径为50％的圆15相符合，因此可以使每个副喷嘴孔12的中心轴线12a-12b通过涡流室8的中心。在这种情况下，半径最好为顶部敞开的凹槽7b的敞开端的半径(100％)的70％，更加优选的是，为60％，并且最优选的是为50％。

在图1A和1D中，假定基准线16假设成从每个副喷嘴孔12的中心轴线12a进行延伸，其中每个孔12的位置借助中心轴线12a来确定；即每个副喷嘴孔12如此设置，以致它的中心轴线12a-12b沿着每个方向与基准线16相一致，如在图1A到1D所看到的一样。

在这种方法中，副喷嘴孔12相对于基准线16以各种角度进行设置(图1B和1D)。如果它相对于基准线16以相对较大的角度进行设置，那么副喷嘴孔12的长度可以较短，因此减少了通过副喷嘴孔的二次空气流的摩擦阻力。在图1B中，从侧部看接口7的横截面，并且两副喷嘴孔12可认为是对准的，副喷嘴孔12的中心轴线12a-12b相对于基准线16最好倾斜30度或者更小，这个角度称为“第一角度”。在图1D中，从后部看接口7的横截面，并且这些副喷嘴孔12仿佛是并排布置，中心轴线12a-12b最好倾斜15度，这个角度称为“第二角度”。在另一个优选实施例中，第一角度是15度或者更小，而第二角度是8度或者更小；更加优选的是，8度或者更小到4度或者更小，及最优选的是，4度或者更小到2度或者更小。

在图1B和1C所示的实施例中，第一角度是30度，而第二角度是15度，每个角度关系用虚线来表示。

每个副喷嘴孔12的尺寸大小确定如下：

已证实，当主喷嘴孔11具有有效面积被假定为100％的开口端时，两个副喷嘴孔的开口端的总面积应该处于3％-15％的范围内；优选的是，为4-10％；更加优选的是，6-10％，及最优选的是，7-9％。总之，3-15％或者优选的5-15％的范围可以有效地、均匀地减少NOx和烟的产生。

主喷嘴孔11构造如下：

参照图2A到2D，主喷嘴孔11包括主槽17和一对侧槽18，这些侧槽18通过边沿(banks)(没有标号)可连通地延伸到主槽17中。在图2A中，每个侧槽18如此形成，以致它的中心轴线18a稍稍位于主槽17的中心轴线17a的后部。每个侧槽18也如此布置，以致它的仰角小于轴线17a的45度。

最好如图1A所示，每个侧槽18的宽度向着主喷嘴孔11的深度方向逐渐地但稍稍地变窄，而主槽17沿着它的整个长度保持不变。此外，侧槽18和位于主喷嘴孔11的中心轴线13的相同侧上的副喷嘴孔12相互对准。

参照图4和5，第一实施例的主要优点是，减少了废气中的环境污染物如NOx和烟，在施加相同负荷的情况下这个得到了证实：

从图4中可以理解到，第一实施例具有小于对比例子(1)中的氮氧化物(NOx)，其中对比例子(1)没有副喷嘴孔12和侧槽18。应该知道，副喷嘴孔12和侧槽18可以有效地减少NOx含量。

图5示出了：第一实施例具有少于对比例子1和2的NOx和烟，其中对比例子2具有与副喷嘴孔12相一致的一些副喷嘴孔，但是没有与侧槽18相一致的槽。对比例子1和2之间的比较表明，增加二次空气副喷嘴孔12可以导致减少NOx和烟。同样地，第一实施例和对比例子2之间的比较表明，侧槽18可以导致减少NOx和烟。

减少废气的效率依赖于副喷嘴孔12的开口端的面积。参照图6A-6C，每个水平坐标是副喷嘴孔12的开口端的总最小面积对主喷嘴孔11的开口端的面积的百分比。图6A的垂直坐标表示NOx量的变化；在图6B中，垂直坐标表示烟量的变化，及在图6C中，垂直坐标表示NOx和烟的总量的变化。根据在没有副喷嘴孔12的燃烧室内所产生的N0x和烟的量计算出每个变化系数以作为基准值。基准值用α表示，而变化量用β表示。那么，变化系数是(β-α)/α。

如图6C所示，当副喷嘴孔12的开口端的面积为7.7％时，总减少率的绝对值被最大化。暂时使减少率的绝对值为100％。已证实，为了使废气的减少率提高到98％，因此一定使副喷嘴孔12的开口端的总面积处于7-9％的范围内，并且如果它处在95％-98％的范围内，那么总面积可以处在6-10％的范围内。如果它处在60％-95％的范围内，那么总面积可以处在3-15％的范围内。在这些范围之中，当它超过70％时，并且NOx和烟开始减少时，总面积处在4-10％的范围内。其结果是，可以推断出，副喷嘴孔的开口端的总面积优选地处在3-15％的范围内；更加优选的是处在4-10％的范围内，进一步优选的是处在6-10％的范围内；并且最优选的是处在7-9％的范围内。

参照图7、8和9，各自描述第二实施例、第三实施例和第四实施例：

在图7所示的第二实施例中，副喷嘴孔12的开口端的总面积是主喷嘴孔11的开口端的面积(100％)的8％，其中每个副喷嘴孔具有面积相同的开口端。如通过与对比例子1和2的比较可以得到清楚证实的一样，这个实施例减少了NOx或者烟或者这两者的产生。

在第二实施例中，副喷嘴孔12的开口端的总面积是主喷嘴孔11的开口端的面积(100％)的8％，其中每个副喷嘴孔12具有面积相同的开口端。已经证实，如通过与图4的对比例子1和2的比较可以得到清楚证实的一样，与对比例子1和2相比，第二实施例减少了NOx和烟的产生。

与副喷嘴孔在燃烧室9和涡流室8之间进行垂直延伸的第一和第二实施例相比，在图8所示的第三实施例中，该对副喷嘴孔12向内倾斜，或者换句话说，从燃烧室9向着涡流室8稍稍会聚。在图8B中，倾斜角度为30度，而在图8D中，向着相互的倾斜角度是15度。

在图9A-9D所示的第四实施例中，该对副喷嘴孔12向后倾斜，最好如图9B所示，并且如图9D所示，这些副喷嘴孔12向外倾斜，或者，换句话说，从燃烧室9向着涡流室8稍稍分散。在图9B中，倾斜角度为30度，而在图9D中，向着相互的倾斜角度为15度。

Claims (26)

1.一种涡流室，它与柴油机的燃烧室结合使用，其中燃烧室由活塞、汽缸和缸盖限定出，该涡流室包括：

接口，它安装在缸盖的孔中，该孔具有底部敞开的凹槽，并且该接口包括顶部敞开的凹槽，底部敞开的凹槽和顶部敞开的凹槽构成了用于涡流室的空间；

主喷嘴孔，它通过接口的底壁形成，从而在燃烧室和涡流室之间形成连通；及

一对副喷嘴孔，这些孔通过接口的底壁形成，这些孔对称地设置在主喷嘴孔的中心轴线的相对侧上；

其特征在于，每个副喷嘴孔布置成在假定的第一圆内通过，该第一圆的半径为假定的第二圆的半径的70％，其中该第二圆绕着顶部敞开的凹槽的中心画出。

2.如权利要求1所述的涡流室，其特征在于，第一圆的半径为第二圆的半径的60％。

3.如权利要求1所述的涡流室，其特征在于，第一圆的半径为第二圆的半径的50％。

4.如权利要求3所述的涡流室，其特征在于，每个副喷嘴孔如此设置，以致它的相应中心与第一圆相一致，该第一圆的半径为第二圆的半径的50％。

5.如权利要求1所述的涡流室，其特征在于，每个副喷嘴孔如此设置，以致它的中心轴线在远离基准线0度到30度的角度范围内通过，其中该基线被假设成沿着轴向通过副喷嘴孔。

6.如权利要求5所述的涡流室，其特征在于，角度范围为0度到15度。

7.如权利要求1所述的涡流室，其特征在于，副喷嘴孔的开口端的总面积为主喷嘴孔的3％-15％。

8.如权利要求7所述的涡流室，其特征在于，该总面积为主喷嘴孔的4％-10％。

9.如权利要求1所述的涡流室，其特征在于，主喷嘴孔包括主槽和两个侧槽，这些侧槽中的每一个通过边沿(通道)而可连通地延伸到主槽中。

10.如权利要求9所述的涡流室，其特征在于，这些侧槽如此设置，以致它们的中心轴线位于主槽的中心轴线的后部。

11.如权利要求10所述的涡流室，其特征在于，每个侧槽的中心轴线以小于下面这样的角度进行倾斜：主槽的中心轴线相对于接口的底壁的水平面以该角度进行倾斜。

12.如权利要求11所述的涡流室，其特征在于，这些侧槽如此设置，以致它们之间的距离向着它们的前端部减少。

13.如权利要求9所述的涡流室，其特征在于，每个侧槽向着它的前端具有逐渐减小的横截面面积。

14.如权利要求9所述的涡流室，其特征在于，每个侧槽如此设置，以致它的中心轴线平行于主槽的中心轴线并且位于主槽的中心轴线的后部。

15.如权利要求1所述的涡流室，其特征在于，每个副喷嘴孔如此设置，以致它的中心轴线在远离基准线的0度到30度的角度范围内进行延伸，其中该基准线被假设成沿着轴向通过该副喷嘴孔。

16.如权利要求15所述的涡流室，其特征在于，副喷嘴孔的开口端的总面积为主喷嘴孔的3％-15％。

17.如权利要求15所述的涡流室，其特征在于，主喷嘴孔包括主槽和两个侧槽，每个侧槽通过边沿可连通地延伸到主槽中。

18.如权利要求17所述的涡流室，其特征在于，每个侧槽如此设置，以致它的中心轴线平行于主喷嘴孔的中心轴线并且位于主喷嘴孔的中心轴线的后部。

19.如权利要求1所述的涡流室，其特征在于，这些副喷嘴孔如此设置，以致它们的中心轴线在接口的底壁上是垂直的。

20.如权利要求19所述的涡流室，其特征在于，副喷嘴孔的开口端的总面积为主喷嘴孔的3％-15％。

21.如权利要求19所述的涡流室，其特征在于，主喷嘴孔包括主槽和两个侧槽，每个侧槽通过边沿可连通地延伸到主槽中。

22.如权利要求21所述的涡流室，其特征在于，每个侧槽如此设置，以致它的中心轴线平行于主槽的中心轴线并且位于主槽的中心轴线的后部。

23.如权利要求9所述的涡流室，其特征在于，每个侧槽从主燃烧室到涡流室以仰角向前倾斜。

24.如权利要求9所述的涡流室，其特征在于，每个侧槽从主燃烧室到涡流室以仰角向后倾斜。

25.如权利要求1所述的涡流室，其特征在于，副喷嘴孔如此设置，以致它们之间的距离向着它们的顶部敞开端变窄。

26.如权利要求1所述的涡流室，其特征在于，这些副喷嘴孔如此设置，以致它们之间的距离向着它们的顶部敞开端变宽。

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