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CN111322170A - 直喷式内燃机活塞燃烧室 - Google Patents

直喷式内燃机活塞燃烧室 Download PDF

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CN111322170A
CN111322170A CN202010250130.6A CN202010250130A CN111322170A CN 111322170 A CN111322170 A CN 111322170A CN 202010250130 A CN202010250130 A CN 202010250130A CN 111322170 A CN111322170 A CN 111322170A
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combustion chamber
arc
bulge
piston
direct injection
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CN202010250130.6A
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李军成
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Guangxi Yuchai Machinery Co Ltd
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Guangxi Yuchai Machinery Co Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种直喷式内燃机活塞燃烧室，包括倒锥面的上部延伸与活塞顶面衔接；第一台阶侧面直线段的上部与倒锥面的侧面母线的下部圆弧过渡；第一台阶底部圆弧的上部与第一台阶侧面直线段的下部光滑衔接；凸起直线段的下部与第一台阶底部圆弧光滑衔接；凸起底部圆弧的上部通过凸起顶部圆弧与凸起直线段的上部光滑衔接；缩口的上部与凸起底部圆弧的下部圆滑过渡，其下部与燃烧室底部圆弧圆滑过渡；中心凸台的根部的圆弧与燃烧室底部圆弧圆滑过渡；其中凸起直线段、凸起顶部圆弧和凸起底部圆弧构成导流凸起。本发明的直喷式内燃机活塞燃烧室可减少碳烟的生成，有效抑制碳烟进入气缸壁的机油以保护气缸壁。

Description

直喷式内燃机活塞燃烧室
技术领域
本发明是关于内燃机技术领域，特别是关于一种具有圆周导流凸起的直 喷式内燃机活塞燃烧室。
背景技术
直喷式内燃机是将燃料直接喷入气缸，然后在喷雾引导及燃烧室导流下 组织燃油蒸汽与空气混合、燃烧做功。由此可见，燃烧室是内燃机燃烧系统 的关键设计特性，燃烧室设计特征与喷雾的匹配将直接影响内燃机的燃烧性 能和污染物排放水平。直喷式柴油机就是一种典型的直喷式内燃机，排放法 规要求车用直喷柴油机的污染物排放限值及燃油消耗率的不断降低，例如 2021年7月全国范围将对柴油机动力的车辆实施严格的国六a排放法规，国 六与国五排放限值相比未燃碳氢(HC)降低72％，氮氧化物(NOx)排放降 低80％，碳烟颗粒(PM)排放降低50％；再例如，2019年已实施的重型柴油 车辆第三阶段油耗法规限值比第二阶段降低15％。所以，直喷内燃机的燃烧 系统，尤其是燃烧室，还需要不断改进。
目前一种典型的直喷柴油机燃烧室形状是ω形状及其变形形状，如图1 所示，其展示了三种典型的具有台阶特征ω形燃烧室，其中Da称为燃烧室直 径，Di称为燃烧室缩口直径，Tm称为过渡圆弧圆心到活塞顶面的距离，T称 为燃烧室深度。当Da＞Di时称缩口型燃烧室，当Da＝Di时称直口型燃烧室， 当Da＜Di时称为敞口型燃烧室。
下面以图2为例说明带台阶特征的ω形燃烧室的特点：燃烧室中心设有 凸台15，凸台15可以是单个圆台或多个圆台堆砌，凸台顶面可以是平面或球 面。燃烧室达到最大直径后向活塞顶面延伸时燃烧室直径逐渐减小直到最小 值，使燃烧室形成一个缩口，从缩口向活塞顶面延伸时燃烧室直径再增大， 用一个台阶形状形成上部燃烧室空间5，台阶侧面4与活塞顶面有圆弧圆滑过 渡。
具有台阶特征的ω形燃烧室与进气涡流配合，可以充分利用燃烧室内底 部圆弧14以上形成的下部空间13和台阶上空间5及活塞顶面以上空间的空 气，改善缸内油气混合质量，提高燃烧效率并降低碳烟排放。但是，这类燃 烧室在主燃期内仍然存在局部区域混合气过浓的现象，使得燃烧过程生成大 量碳烟，尽管后燃阶段大部分碳烟会被氧化，可是碳烟排放仍有可能过高， 甚至会有碳烟进入气缸壁的机油使机油劣化。所以，此类燃烧室还需要不断 改善设计，以便提高空气利用率，提高主燃期内的热效率，并降低主燃期内 的碳烟生成量。
现有技术的具有台阶特征的ω形燃烧室存在下列缺陷：如图2所示，现 有带有台阶特征的ω形燃烧室对一部分空间的空气利用率不高，这个空间是 缩口以上到燃烧室中心线之间的空间18。因为与缩口的圆弧面相切的台阶底 平面6直接将燃油蒸汽引导向台阶侧面4及活塞顶面2，燃油蒸汽无法向空间 18运动，从而限制了热效率的提高。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解， 而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员 所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直喷式内燃机活塞燃烧室，其在ω形燃烧室 的台阶上设计了一个导流凸起，燃油蒸汽运动到燃烧室侧壁后，撞壁分流， 一部分燃油蒸汽沿燃烧室下部空间的侧壁向燃烧室底部运动，另一部分燃油 蒸汽经燃烧侧壁与台阶底面的过渡圆弧(缩口)进入燃烧室台阶的上部空间， 能有效提高导流凸起以上至燃烧室中心线之间的空气利用，从而可减少碳烟 的生成，有效抑制碳烟进入气缸壁的机油以保护气缸壁。
为实现上述目的，本发明提供了一种直喷式内燃机活塞燃烧室，其位于 活塞本体的上部，包括倒锥面、第一台阶侧面直线段、第一台阶底部圆弧、 凸起直线段、凸起底部圆弧、缩口以及中心凸台。倒锥面的上部延伸与活塞 顶面衔接；第一台阶侧面直线段的上部与倒锥面的侧面母线的下部圆弧过渡； 第一台阶底部圆弧的上部与第一台阶侧面直线段的下部光滑衔接；凸起直线 段的下部与第一台阶底部圆弧光滑衔接；凸起底部圆弧的上部通过凸起顶部 圆弧与凸起直线段的上部光滑衔接；缩口的上部与凸起底部圆弧的下部圆滑 过渡，其下部与燃烧室底部圆弧圆滑过渡；中心凸台的根部的圆弧与燃烧室 底部圆弧圆滑过渡；其中凸起直线段、凸起顶部圆弧和凸起底部圆弧构成导 流凸起。
在一优选的实施方式中，直喷式内燃机活塞燃烧室还包括第一台阶底面 直线段，凸起直线段和第一台阶底部圆弧通过第一台阶底面直线段光滑衔接。
在一优选的实施方式中，凸起直线段和凸起底部圆弧通过凸起顶部平面 过渡衔接。
在一优选的实施方式中，凸起直线段和凸起底部圆弧通过凸起顶部斜面 过渡衔接。
在一优选的实施方式中，凸起顶部圆弧和凸起底部圆弧的内切线与活塞 顶面的夹角介于60°至90°之间。
在一优选的实施方式中，凸起直线段与活塞顶面的夹角小于等于25°。
在一优选的实施方式中，燃烧室的中心线和活塞本体的中心线重合。
在一优选的实施方式中，燃烧室的中心线和活塞本体的中心线不重合。
在一优选的实施方式中，燃烧室直径大于、等于或小于缩口直径。
在一优选的实施方式中，缩口的圆心到活塞顶面与燃烧室的深度的比值 介于0.35至0.47之间。
与现有技术相比，本发明的直喷式内燃机活塞燃烧室在具有台阶特征的 ω形燃烧室的台阶上设计一个导流凸起，燃油蒸汽运动到燃烧室侧壁后，撞 壁分流，一部分燃油蒸汽沿燃烧室下部空间的侧壁向燃烧室底部运动，另一 部分燃油蒸汽经燃烧侧壁与台阶底面的过渡圆弧(缩口)进入燃烧室台阶的 上部空间。进入台阶的燃油蒸汽首选沿着导流凸起的底部圆弧和顶部圆弧向 上爬升，在导流凸起的引导下以一定角度α冲向气缸盖底面，然后，燃油蒸 汽向气缸缸底面两侧运动扩散，一部分向导流凸起以上至燃烧中心线之间的 凸起导流空间运动，另一部分向第一台阶上部空间和活塞顶面以上凸起导流 空间运动。这样一来，一方面能有效提高导流凸起以上至燃烧室中心线之间 的空气利用，从而提高热效率，另一方面能提高活塞顶面以上空间的混合气 质量，减少碳烟的生成，有效抑制碳烟进入气缸壁的机油以保护气缸壁。
附图说明
图1a-图1c是ω型直喷柴油机燃烧室种类的示意图；
图2是ω型直喷柴油机燃烧室的结构示意图；
图3是根据本发明一实施方式的活塞燃烧室的结构剖视示意图；
图4是根据本发明一实施方式的导流凸起的局部放大图；
图5是根据本发明一实施方式的活塞燃烧室的尺寸定义图；
图6是根据本发明一实施方式的活塞燃烧室的喷雾运动示意图。
主要附图标记说明：
1-活塞本体，2-活塞顶面，3-倒锥面，4-第一台阶侧面直线段，5-第一台 阶底部圆弧，6-第一台阶底面直线段，7-第一台阶上部空间，8-凸起直线段， 9-导流凸起，10-凸起顶部圆弧，11-凸起底部圆弧，12-缩口，13-燃烧室下部 空间，14-燃烧室底部圆弧，15-中心凸台，16-燃烧室中心线，17-活塞销孔， 18-凸起导流空间，19-气缸盖底面，Da-燃烧室直径，Di-缩口直径。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本 发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包 括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或 组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
在本说明书中，附图中相同的标记编号表示相同特征。本发明的中的方 位术语“上部”，“上侧”中的“上”是指由活塞销孔指向活塞顶面的方向。 术语“下部”，“下侧”中的“下”是指离开活塞顶面指向活塞销孔的方向。 术语“内”是指靠近燃烧室中心线的一侧，术语“外”是指远离燃烧室中心 线的一侧。
请参阅图3和图4，根据本发明优选实施方式的一种直喷式内燃机活塞燃 烧室是位于活塞本体1的上部，包括倒锥面3、第一台阶侧面直线段4、第一 台阶底部圆弧5、第一台阶底面直线段6、凸起直线段8、凸起顶部圆弧10、 凸起底部圆弧11、缩口12以及中心凸台15。倒锥面3的上部延伸与活塞顶 面2衔接。第一台阶侧面直线段4的上部与倒锥面3的侧面母线的下部圆弧 过渡。第一台阶底部圆弧5的上部与第一台阶侧面直线段4的下部光滑衔接。 凸起直线段8和第一台阶底部圆弧5通过第一台阶底面直线段6光滑衔接， 也就是说第一台阶底部圆弧5下端与第一台阶底面直线段6的一端光滑衔接， 而第一台阶底面直线段6的另一端可以通过一段过渡圆弧和凸起直线段8的 下端光滑衔接。凸起底部圆弧11的上部通过凸起顶部圆弧10与凸起直线段8 的上部光滑衔接。缩口12的上部与凸起底部圆弧11的下部圆滑过渡，其下 部与燃烧室底部圆弧14圆滑过渡。中心凸台15的根部的圆弧与燃烧室底部 圆弧14圆滑过渡。其中凸起直线段8、凸起顶部圆弧10和凸起底部圆弧11 构成导流凸起9。
请参阅图3，在一些实施方式中，本发明的直喷式内燃机活塞燃烧室位于 活塞本体1的上部，并位于活塞销孔17以上，燃烧室中心线16可与活塞本 体1的中心线重合，也可以相对活塞本体1的中心线偏置一定距离。本发明 的直喷式内燃机活塞燃烧室的中心处是中心凸台15，中心凸台15的下侧有圆 弧与燃烧室底部圆弧14的内端光滑过渡，燃烧室底部圆弧14的外侧构成燃 烧室下部空间13的侧壁的一部分。对于缩口12型燃烧室，燃烧室底部圆弧 14的外端通过直线段与缩口12的圆弧光滑衔接。若是直口或敞口燃烧室则无 缩口12，燃烧室底部圆弧14的外端将直接与凸起底部圆弧11通过圆弧光滑 衔接。在缩口12以上，燃烧室有双台阶的特征，在第一台阶底部设计有导流 凸起9，导流凸起9的下侧是凸起底部圆弧11与缩口12光滑衔接。本实施例 的导流凸起9的顶部设计为圆弧形状，即导流凸起9的凸起顶部圆弧10，在 一些实施例中导流凸起9的顶部也可以被设计为凸起顶部平面或凸起顶部斜 面。另外，在一些实施例中，凸起底部圆弧11与导流凸起9的凸起顶部圆弧10之间可以用直线段光滑衔接。导流凸起9的上侧面是凸起直线段8，凸起 直线段8通过圆弧与第一台阶底面直线段6光滑过渡。第一台阶底面直线段6 与第一台阶侧面直线段4通过第一台阶底部圆弧5光滑衔接。在一些实施例 中凸起直线段8可直接与第一台阶侧面直线段4直接通过第一台阶底部圆弧5 光滑衔接。而无第一台阶底面直线段6的特征。第一台阶侧面直线段4与倒 锥面3(第二台阶)的母线通过圆弧过渡，第二台阶的倒锥面3延伸至活塞顶 面2。
请参阅图4，本实施例的凸起底部圆弧11与凸起顶部圆弧10的内公切线 与活塞顶面2的夹角为α，60＜α＜90°。在一些实施例中，若凸起底部圆 弧11与凸起顶部圆弧10之间有直线段光滑衔接，则该直线段即是凸起底部 圆弧11和凸起顶部圆弧10的内公切线。凸起直线段8与活塞顶面2的夹角 为β，β≤25°。此外，凸起顶部圆弧10的顶部要高于凸起直线段8的下端 与第一台阶底面直线段6的光滑相接处。
请参阅图5，本实施例的燃烧室直径为Da，缩口直径为Di，缩口12圆 弧的圆心到活塞顶面2的距离为Tm。对于图1所示的直口和敞开口型燃烧室， 在原缩口12型燃烧室中的缩口12圆弧应该称为燃烧室底部侧壁与台阶的过 渡圆弧，该过渡圆弧圆心到活塞顶面2的距离为Tm，燃烧室深度定义为T， 则0.35≤Tm/T≤0.47。
根据燃烧室台阶的位置和形状的变形，以及ω形燃烧室可以是缩口型(即 有缩口)也可以是直口或敞口的情况，本发明的导流凸起可以以多种方式实 施，不应理解为仅限于上述描述的实施例。
请参阅图6，本发明的直喷式内燃机活塞燃烧室的工作原理如下：
燃烧室是位于内燃机的活塞顶面2以下，向活塞本体1凹陷成型，并位 于活塞销孔17以上。典型的实例是用于四冲程内燃机，但不限于四冲程，也 可以用于其它冲程数的内燃机。包含本发明的燃烧室的活塞装配于内燃机气 缸中，在气缸盖上装有喷油器，喷油器的中心线可以与燃烧室中心线16重合， 也可与燃烧室中心有偏置。以四冲程内燃机工作过程为例，在压缩冲程末期， 活塞接近上止点，喷油器接收发动机控制器的控制信号，开启喷油器，将液 态燃向燃烧室内喷射。如图6的箭头所示，液体燃油喷出喷孔后向燃烧室壁 面方向发展并伴随着液体燃油破碎雾化，在液态喷雾前锋及周围形成燃油蒸 汽，燃油蒸汽具有向燃烧室壁面运动的动量。燃油蒸汽运动到燃烧室侧壁后， 撞壁分流，一部分燃油蒸汽沿燃烧室下部空间的侧壁向燃烧室底部运动，另 一部分燃油蒸汽经燃烧侧壁与台阶底面的过渡圆弧(缩口12)进入燃烧室台 阶的上部空间。进入台阶的燃油蒸汽首选沿着导流凸起9的底部圆弧和顶部 圆弧向上爬升，在导流凸起9的引导下以一定角度α冲向气缸盖底面19。然 后，燃油蒸汽向气缸缸底面两侧运动扩散，一部分向导流凸起9以上至燃烧 中心线之间的凸起导流空间运动，另一部分向第一台阶上部空间7和活塞顶 面2以上凸起导流空间运动。请再次参阅图3，凸起底部圆弧11与凸起顶部 圆弧10的内公切线以内至燃烧室中心线16的部分定义为凸起导流空间，而 凸起底部圆弧11与凸起顶部圆弧10的内公切线以外的部分定义为第一台阶 上部空间。由此可最终改善燃烧室上部空间的混合气质量和提高空气利用率。
综上所述，本发明的直喷式内燃机活塞燃烧室在具有台阶特征的ω形燃 烧室的台阶上设计一个导流凸起，燃油蒸汽运动到燃烧室侧壁后，撞壁分流， 一部分燃油蒸汽沿燃烧室下部空间的侧壁向燃烧室底部运动，另一部分燃油 蒸汽经燃烧侧壁与台阶底面的过渡圆弧(缩口)进入燃烧室台阶的上部空间。 进入台阶的燃油蒸汽首先沿着导流凸起的底部圆弧和顶部圆弧向上爬升，在 导流凸起的引导下以一定角度α冲向气缸盖底面。然后，燃油蒸汽向气缸底 面两侧运动扩散，一部分向导流凸起以上至燃烧中心线之间的凸起导流空间 运动，另一部分向第一台阶上部空间和活塞顶面以上凸起导流空间运动。这 样一来，一方面能有效提高导流凸起以上至燃烧室中心线之间的空气利用， 从而提高热效率，另一方面能提高活塞顶面以上空间的混合气质量，减少碳 烟的生成，有效抑制碳烟进入气缸壁的机油以保护气缸壁。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。 这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述 教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在 于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实 现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。 本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种直喷式内燃机活塞燃烧室，其位于活塞本体的上部，其特征在于，包括：
倒锥面，其上部延伸与活塞顶面衔接；
第一台阶侧面直线段，其上部与所述倒锥面的侧面母线的下部圆弧过渡；
第一台阶底部圆弧，其上部与所述第一台阶侧面直线段的下部光滑衔接；
凸起直线段，其下部与所述第一台阶底部圆弧光滑衔接；
凸起底部圆弧，其上部通过凸起顶部圆弧与所述凸起直线段的上部光滑衔接；
缩口，其上部与所述凸起底部圆弧的下部圆滑过渡，其下部与燃烧室底部圆弧圆滑过渡；以及
中心凸台，其根部的圆弧与所述燃烧室底部圆弧圆滑过渡；
其中，所述凸起直线段、所述凸起顶部圆弧和凸起底部圆弧构成导流凸起。
2.如权利要求1所述的直喷式内燃机活塞燃烧室，其特征在于，还包括第一台阶底面直线段，所述凸起直线段和所述第一台阶底部圆弧通过所述第一台阶底面直线段光滑衔接。
3.如权利要求1所述的直喷式内燃机活塞燃烧室，其特征在于，所述凸起直线段和所述凸起底部圆弧通过凸起顶部平面过渡衔接。
4.如权利要求1所述的直喷式内燃机活塞燃烧室，其特征在于，所述凸起直线段和所述凸起底部圆弧通过凸起顶部斜面过渡衔接。
5.如权利要求1所述的直喷式内燃机活塞燃烧室，其特征在于，所述凸起顶部圆弧和所述凸起底部圆弧的内切线与所述活塞顶面的夹角介于60°至90°之间。
6.如权利要求1所述的直喷式内燃机活塞燃烧室，其特征在于，所述凸起直线段与所述活塞顶面的夹角小于等于25°。
7.如权利要求1所述的直喷式内燃机活塞燃烧室，其特征在于，所述燃烧室的中心线和所述活塞本体的中心线重合。
8.如权利要求1所述的直喷式内燃机活塞燃烧室，其特征在于，所述燃烧室的中心线和所述活塞本体的中心线不重合。
9.如权利要求2所述的直喷式内燃机活塞燃烧室，其特征在于，燃烧室直径大于、等于或小于缩口直径。
10.如权利要求2所述的直喷式内燃机活塞燃烧室，其特征在于，所述缩口的圆心到所述活塞顶面与所述燃烧室的深度的比值介于0.35至0.47之间。
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