CN1981118A - 直喷式柴油机的燃烧室形状 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在空载运行时可抑制黑烟浓度的同时在负载运行时抑制NOx和耗油率的直喷式柴油机的燃烧室形状。燃烧室(5)以凹陷状形成在活塞顶壁(3)上，而燃油以预定喷口角度α从燃油喷射阀的喷口(20)喷射到燃烧室(5)中，喷口的中心(O1)基本上位于汽缸中心线上。燃烧室(5)的壁面包括：圆锥状的山丘部(12)，其位于燃烧室的中央部，并具有可使燃油喷雾不撞击于其上的倾角和外侧端直径D2；斜坡部(14)，其以小于山丘部(12)的倾角的角度从山丘部(12)的外侧端向外下方倾斜，且燃油喷雾撞击于其上；以及托盘状部(15)，其从斜坡部(14)的外周端以弧形形状耸起达到燃烧室的外周端，且燃油喷雾撞击于其上。

Description

直喷式柴油机的燃烧室形状
技术领域
本发明涉及一种直喷式柴油机的燃烧室形状。
背景技术
图8显示了现有技术直喷式柴油机的燃烧室形状的一例(专利文献1)。浅盘凹陷状的燃烧室(腔体)106形成在活塞101的顶壁102上。在燃烧室106的壁面上形成有自燃烧室106的中心展开并徐缓地向燃烧室的外周端部附近倾斜而下的山丘部104、并形成有无缝地连接于山丘部104的外侧端并以弧形形状耸起的托盘状部105。燃油喷射阀103安装在缸盖110上，以使喷口的中心O1位于汽缸中心线C1上并以预定喷口角度α呈圆锥状地向燃烧室106的托盘状部105喷射燃油。
在图8的结构中，大约一半的燃油喷雾直接撞击在山丘部104的斜坡上，由此抑制燃油及NOx生成量。然而，在空载运行时，附着在山丘部104的斜坡上的燃油的比例由于喷射压力的减小而增加，由此导致黑烟增加。
专利文献1：日本专利申请特开5-106442号
发明内容
(本发明所要解决的技术问题)
在图8所示的结构中，作为抑制在空载运行时产生黑烟的措施，通过减小燃油喷射阀103的喷口面积来增加喷射压力是有效的。这样一来，可以促进在空载运行时燃油的雾化，以抑制黑烟的产生。
然而，若燃油喷射阀的喷口面积减小，则在负载运行时燃油喷射时间便会变长，因而耗油率变差。
抑制黑烟产生的另一个有效措施是增加图8中的喷口角度α来增加喷雾行程，由此将燃油喷雾的主要部分引向燃烧室106的外周端部附近。这样一来，黑烟的产生可被抑制，但由于在燃烧室的壁面上未进行燃烧控制，故在负载运行时NOx的生成量增加。此外，火焰就很可能会撞击缸套112而加热缸套112，由此导致缸套112的可靠性和耐久性问题。
(发明的目的)
本发明的目的在于提供一种在空载运行时可抑制的黑烟生成量、而在负载运行时可抑制NOx并将耗油率维持在满意值的柴油机的燃烧室形状。
(解决技术问题的手段)
为了实现上述目的，根据本申请技术方案1的发明，提供一种具有形成在活塞顶壁上的凹陷状燃烧室、以预定喷口角度将燃油从喷口的中心大致位于汽缸中心线上的喷口喷射到燃烧室中的直喷式柴油机的燃烧室形状，其中，燃烧室的壁面包括：山丘部，其形成于该燃烧室的中央部、并具有可使燃油喷雾不撞击该山丘部的倾角和外侧端直径；斜坡部，其以小于山丘部的倾角的角度从山丘部的外侧端向外向下倾斜、且燃油喷雾撞击之；以及托盘状部，其从斜坡部的外周端以弧形形状耸起到达燃烧室的外周端、且燃油喷雾撞击之。
根据技术方案2的发明，提供一种如技术方案1所述的直喷式柴油机的燃烧室形状，其中，在山丘部，从燃烧室底面起算的山丘部高度H2对燃烧室深度H1的比值H2/H1为0.7≤H2/H1≤1.0，山丘部顶面的直径D1对膛孔直径B的比值D1/B为D1/B≤0.3，山丘部外侧端直径D2对膛孔直径B的比值D2/B为D2/B≤0.5。
根据技术方案3的发明，提供一种如技术方案1或2所述的直喷式柴油机的燃烧室形状，其中，喷雾行程L对喷口直径d的比值L/d为150≤L/d≤250。
根据技术方案4的发明，提供一种如技术方案1至3中任一种所述的直喷式柴油机的燃烧室形状，其中，斜坡部的倾角θ为0°＜θ≤15°。
(发明效果)
(1)燃烧室壁面上形成有在中央的山丘部与位于外周端部的弧形托盘状部之间向下朝外倾斜的斜坡部，以使燃油喷雾不撞击山丘部的斜面但却接触从斜面部到托盘状部的区域。因此，在空载运行时，燃油喷雾就不太会附着到山丘部的斜坡上，由此抑制黑烟的生成。此外，通过使燃油喷雾撞击从斜坡表面到托盘状部的区域来分散燃油喷雾，可以抑制在负载运行时NOx的生成量。而且，由于无需通过减小喷口面积来增加喷射压力，故而能够减小在负载运行时的耗油率。
(2)因为在维持压缩比恒定的状态下，山丘部高度H2对燃烧室深度H1的比值为0.7≤H2/H1≤1.0、山丘部顶面的直径D1对膛孔直径B的比值为D1/B≤0.3、且山丘部的外侧端直径D2对膛孔直径B的比值为D2/B≤0.5，故而能够增强在空载运行时的黑烟抑制效果。
(3)因为喷雾行程L对喷口直径d的比值为150≤L/d≤250，故而能够在斜坡部和托盘状部抑制燃烧的同时有效地利用在顶部间隙部T的空气。因此，能够在负载运行时减小耗油率的同时抑制NOx。
(4)由于斜坡部的倾角θ为0°＜θ≤15°，故而能够平滑地将燃油喷雾从斜坡部引向托盘状部和顶部间隙部，由此在负载运行时减小耗油率的同时抑制NOx。
附图说明
图1是应用了本发明的直喷式柴油机的燃烧室的纵断面放大图。
图2是图1中燃油喷射阀的喷口部的纵断面放大图。
图3是表示从燃烧室底面起算的山丘部高度H2对燃烧室深度H1的比值H2/H1的变化与在空载运行时黑烟(黑烟浓度)之间的关系的图。
图4是表示山丘部的顶面直径D1对膛孔直径B的比值D1/B的变化与在空载运行时黑烟(黑烟浓度)之间的关系的图。
图5是表示山丘部的外侧端直径D2对膛孔直径B的比值D2/B的变化与在空载运行时黑烟(黑烟浓度)之间的关系的图。
图6是表示斜坡部的倾角θ的变化与在负载运行时耗油率之间的关系的曲线图。
图7是表示在空载运行时的黑烟与在负载运行时的耗油率之间的关系的图。
图8是现有技术的燃烧室的纵断面放大图。
(元件符号说明)
1缸套
2活塞
3活塞顶壁
5燃烧室
7缸盖
10燃油喷射阀
12山丘部
13山丘部的顶面
14斜坡部
15托盘状部
20喷口
具体实施方式
(实施例1)
[燃烧室的结构]
图1是应用了本发明的直喷式柴油机燃烧室的放大纵断面图。在图1中，活塞2安装在汽缸体的缸套1上，燃烧室(腔体)5形成在活塞2的顶壁3上，且燃烧室5的上部由缸盖7的底面封闭。其喷口中心O1位于汽缸中心线C1上的燃油喷射阀10安装在缸盖7上并以喷口角度α呈圆锥状地喷射(喷雾)燃油。在图1中，活塞2位于上死点处。
燃烧室5形成为浅碟形状，其中，截顶圆锥状的山丘部12形成在中央部(在汽缸中心线C1上)，而以弧形形状徐缓地向外耸起的托盘状部15形成为在外周部处的圆环形。在托盘状部15与中央的山丘部12之间，以相对于平面Q成预定角度θ向下朝外倾斜的斜坡部14形成为圆环形，其中的平面Q垂直于汽缸中心线C1。斜坡部14的内周端和山丘部12的外侧端部在边界P1处通过曲面无缝地彼此连接，且斜坡部14的外周端与托盘状部15的内周端在边界P2处无缝地彼此连接。
使压缩比恒定，山丘部12形成为使从燃烧室底部起算的山丘部高度H2对燃烧室深度H1的比值H2/H1在0.7≤H2/H1≤1.0的范围内、山丘部顶面的直径D1对孔直径B的比值D1/B在D1/B≤0.3的范围内、且山丘部12的外侧端(P1)的直径D2对膛孔直径B的比值D2/B在D2/B≤0.5的范围内。山丘部12的斜面至少从燃油喷雾的最小喷射角度范围s1离开一定距离，以使燃油喷雾不撞击山丘部12的斜面。
斜坡部14的倾角θ远小于中央的山丘部12的斜面的角度，且斜坡部14形成在使整个喷射角度中大致内侧的一半可撞击斜坡部14区域内。
托盘状部15徐缓地耸起，且形成在使燃油喷雾的中心线S0撞击在斜坡部14和托盘状部15之间的边界P2附近的区域内。
从喷口中心O1到托盘状部15的燃油喷雾中心线S0的长度，即所谓的喷雾行程L相对于图2所示的喷口直径d进行设定，以使L/d在150到250的范围内，优选在约160到210的范围内。
[数值限定的根据]
图3是表示在压缩比保持恒定时山丘部高度H2对燃烧室深度H1的比值H2/H1的变化与在空载运行时黑烟(黑烟浓度)之间的关系的图。由图3可知，在上述比值H2/H1为0.85到1.00的范围内，黑烟生成量被抑制在最小值并保持不变。在上述比值H2/H1从0.85下降到0.7的范围内，黑烟生成量略有增加。若上述比值H2/H1小于0.7，则黑烟生成量便会急剧增加。因此，通过将上述比值H2/H1设定在0.7≤H2/H1≤1.0的范围内，便可以将黑烟生成量抑制在可允许的范围内。较佳地，将上述比值设定在0.85≤H2/H1≤1.0的范围内，即可有效地抑制黑烟生成量。
图4是表示山丘部的顶面直径D1对膛孔直径B的比值D1/B的变化与在空载运行时黑烟(黑烟浓度)之间的关系的图。由图4可知，在上述比值D1/B小于等于0.3的范围内，在空载运行时黑烟被维持在良好的状态。尤其是在上述比值D1/B小于等于0.15的范围内，黑烟被抑制在最小值。另一方面，若上述比值D1/B大于0.3，则黑烟便会急剧增加。因此，通过将上述比值D1/B设定在D1/B≤0.3的范围内，便可以将黑烟生成量抑制在可允许的范围内。较佳地，将上述比值设定在D1/B≤0.15的范围内，即可有效地抑制黑烟生成量。
图5是表示山丘部12的外侧端P1的直径D2对膛孔直径B的比值D2/B的变化与在空载运行时黑烟(黑烟浓度)之间关系的图。由图5可知，在上述比值D2/B小于等于0.5的范围内，在空载运行时黑烟被维持在良好的状态。尤其是在上述比值D2/B小于等于0.3的范围内，黑烟被抑制在最小值。另一方面，若上述比值D2/B大于0.5，则黑烟便会急剧增加。因此，通过将上述比值D2/B设定在D2/B≤0.5的范围内，即可将黑烟生成量抑制可允许的范围内。较佳地，将上述比值设定在D2/B≤0.3的范围内，即可有效地抑制黑烟生成量。
图6是表示斜坡部14的倾角θ的变化与在负载运行时耗油率之间关系的曲线图。由图6可知，在上述倾角θ大于0°且小于等于15°的范围内，耗油率维持在优选值。尤其是在倾角θ处于3°到10°的范围内时，耗油率处于最佳状态。另一方面，若倾角θ超过15°，那么耗油率便会急剧恶化。
图7示意性地显示了在空载运行时的黑烟与在负载运行时的耗油率或成本之间的关系，其中，图8中的现有技术标记为◆(菱形标记)，本实施例标记为●(圆形标记)。若NOx水平相同，在现有技术中增加耗油率则会导致在空载运行时黑烟(黑烟浓度)增加，而在本实施例中，可在空载运行时使黑烟浓度维持在大致恒定的较小值的同时增加耗油率。
换言之，在本实施例中，0.7≤H2/H1≤1.0、D1/B≤0.3、且D2/B≤0.5，故燃油喷雾不撞击燃烧室5的山丘部12的斜面，且燃油几乎不附着于山丘部12的斜面之上。其结果是，在空载运行时的黑烟生成量可以被抑制，因此可增大燃油喷射阀10的喷口20的尺寸并可减小耗油率。此外，因为喷雾行程L对喷口直径d的比值L/d为150≤L/d≤250，以使燃油喷雾到达从斜坡部14到托盘状部15的区域，所以可在抑制燃烧室5内表面上的燃烧的同时提高顶部间隙部T内空气的利用率、并可在抑制NOx的同时降低耗油率。而且，斜坡部14的倾角θ为0°＜θ≤15°，故可平滑地将已撞击在斜坡部14的燃油从托盘状部15分散到顶部间隙部T(图1)，由此抑制NOx、抑制黑烟并降低耗油率。

Claims (4)

1.一种直喷式柴油机的燃烧室形状，其中的柴油机具有形成在活塞顶壁上的凹陷状燃烧室、且以预定喷口角度将燃油从燃油喷射阀的喷口喷射到该燃烧室中，所述喷口的中心基本上位于汽缸中心线上，其特征在于，
所述燃烧室的壁面包括：
圆锥状的山丘部，其位于所述燃烧室的中央部、并具有可使燃油喷雾不撞击在其上的倾角和外侧端直径；
斜坡部，其以小于所述山丘部的倾角的角度从所述山丘部的外侧端向下朝外倾斜，且燃油喷雾撞击于其上；以及
托盘状部，其从所述斜坡部的外周端以弧形形状耸起达到所述燃烧室的外周端，且燃油喷雾撞击于其上。
2.如权利要求1所述的直喷式柴油机的燃烧室形状，其特征在于，
在所述山丘部中，从燃烧室底面起算的山丘部高度H2对燃烧室深度H1的比值H2/H1为0.7≤H2/H1≤1.0，
山丘部顶面的直径D1对膛孔直径B的比值D1/B为D1/B≤0.3，且
所述山丘部的外侧端直径D2对所述膛孔直径B的比值D2/B为D2/B≤0.5。
3.如权利要求1或2所述的直喷式柴油机的燃烧室形状，其特征在于，喷雾行程L对喷口直径d的比值L/d为150≤L/d≤250。
4.如权利要求1至3中任一项所述的直喷式柴油机的燃烧室形状，其特征在于，所述斜坡部的倾角θ为0°＜θ≤15°。
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