專利名稱:柴油機等壓燃燒室的制作方法
本發(fā)明涉及活塞式內燃機，特別是涉及以燃燒室形狀和結構改善燃燒質量的小型高速柴油機。
小型高速柴油機的燃燒室，現(xiàn)有技術基本上都是直噴式或分隔式的，兩者各有長處和不足。直噴式由活塞、缸蓋和缸套三部件圍成統(tǒng)一封閉空間用作燃燒室，高壓燃油從油嘴直接噴入室內與受壓縮空氣混合燃燒。采用直噴式燃燒室的柴油機經濟性較好，容易起動，但振動和噪聲較大，氮氧化合物(NOx)排放量較多，容易產生黑煙，缸蓋內往往要設置渦流進氣道，這除了容易導致鼻梁區(qū)熱應力過大外，還同時增大泵氣功損失。分隔式包括主燃燒室和副燃燒室。主室由活塞、缸蓋和缸套圍成，容積較小的副室通常設置在缸蓋內部。在副室內噴油燃燒，過濃混合氣經連絡主、副室的通道或噴孔，從副室高速噴入主室，在主室內進行燃油同空氣的再混合并繼續(xù)燃燒。采用分隔式燃燒室的柴油機振動和噪聲都較小，污染物排放量也少，不用設置渦流進氣道，對燃料適應性強，工作轉速范圍寬。但是，它的燃燒室總面積大，副室表面直接受冷卻介質作用，加上連絡通道的節(jié)流損失等，使運行經濟性能和起動性能都較差。如中國專利CN 1058464A所公開的文件中，雖然解決了傳統(tǒng)發(fā)動機中缸內流場不利于混合氣形成問題，但該設計仍存在難以精確做到，而且滿意的燃燒過程難以覆蓋全部速度范圍。
本發(fā)明的目的在于避免上述現(xiàn)有技術的不足之處而提供一種將分隔式燃燒室特點融入直噴式燃燒室中，在兩者優(yōu)勢互補的基礎上輔之以燃燒能量積蓄與釋放控制手段的等壓燃燒室技術，并且在工藝上比較容易實現(xiàn)，從而使小型柴油機綜合性能全面提高。
等壓燃燒過程作為直噴式柴油機的理想燃燒過程之一受到極大重視，其主要優(yōu)點是在限定運動件承受最大機械負荷(相應于最大缸內壓力)的條件下，柴油機有最好的經濟性，同時能減小運動件及傳動軸承受到的沖擊，減小振動和噪聲。
就氣缸內壓力及活塞所承受和傳遞的缸內氣體合作用力而言，現(xiàn)有技術直噴式柴油機的燃燒過程和等壓燃燒過程在如下三個階段有較大差異第一階段，燃燒開始至壓縮上止點，燃燒急劇放熱使缸內壓力高于純壓縮過程壓力值，活塞所承受缸內氣體合作用力因而大大高于純壓縮過程的對應值；第二階段，壓縮上止點至缸內壓力達到最大值時，活塞下行，缸內容積增大，但缸內壓力不是保持恒定，而因為快速燃燒繼續(xù)升高，活塞所承受氣體合作用力相應地不斷增大；第三階段，缸內壓力達到最大值至燃燒結束，活塞迅速下行使缸內壓力不能保持恒定而急劇下降，活塞所受氣體合作用力也急劇變小。
歸納上述三個階段差異特點，其實質在于①第一、二階段內燃燒能量過多；②第三階段內燃燒速度太慢。針對這樣分析，消除上述差異，實現(xiàn)直噴式柴油機等壓燃燒過程的主要思路是在所述第一、二階段，將直噴式燃燒室臨時地分隔成主、副燃燒室，使活塞承受的氣體合作用力主要由主室內的氣體壓力決定。副室內先開始燃燒，燃燒能量大部分積蓄起來，使主室內氣體壓力不因燃燒而過份升高。第三階段前期，向主室釋放所蓄能量，同時為提高后期燃燒速度準備條件，如在主室內均勻分布燃料，把副室內的過濃混合氣和主室空氣迅速混合以及制造高湍流強度的渦旋氣流等。第三階段后期，缸內主、副室分隔消失，發(fā)生高速度擴散燃燒。從而保證燃燒結束前缸內壓力不改變。
于是，本發(fā)明目的可以通過采取以下措施來實現(xiàn)創(chuàng)造一種柴油機等壓燃燒室，包括缸蓋、缸套和活塞，活塞頂部有凹坑，它們圍成所述燃燒室，缸蓋下表面有一和凹坑的喉口在位置、形狀上相匹配的大凸臺噴油嘴設在大凸臺上。工作循環(huán)含有燃燒能量先積蓄后釋放過程，大凸臺當活塞運動至上止點時嵌入并基本封閉該喉口；在活塞內有將凹坑和活塞頂上空間連通的傾斜通道，在缸蓋下表面還有和傾斜通道在活塞頂面的出口在位置、形狀上也相匹配的小凸臺，小凸臺當活塞運動至上止點時嵌入并基本封閉該出口。
附圖的圖面說明如下
圖1是本發(fā)明燃燒室一個最佳實施例的局部縱向剖視圖；圖2是同一實施例活塞的俯視圖。
以下結合附圖所示之最佳實施例作進一步詳述如圖1所示，一種柴油機等壓燃燒室，其結構包括缸蓋1、缸套5和活塞6，活塞6頂部有凹坑7，它們圍成所述燃燒室?？紤]到上述第一、二階段對應的曲軸轉角范圍較小，對于壓縮上止點有一定角度的對稱性，以及缸蓋與活塞間距離小的特點，在直噴式柴油機缸蓋1下表面設有一和凹坑7的喉口8在位置、形狀上相匹配的大凸臺2噴油嘴3設在大凸臺2上。工作循環(huán)含有燃燒能量先積蓄后釋放過程，所述大凸臺2當活塞6運動至上止點附近時嵌入并基本封閉喉口8，選擇該大凸臺2的高度，使它得以周期地在上止點前后曲軸轉角12°～34°范圍內因活塞6移近而伸進凹坑喉口8內，將缸內空間臨時地分隔成容積較小的凹坑7內的副室和活塞6頂上的主室兩部分。即燃燒前期，大凸臺2嵌入喉口8內，缸內空間被凸臺2分隔，燃燒能量積蓄在凹坑7內燃燒后期，大凸臺2遠離活塞6，上述分隔消失，燃燒能量釋放到整個缸內空間推動活塞6作功。所以本發(fā)明燃燒室在每一工作循環(huán)中，階段性地又具有分隔式燃燒室的特點，且副室在活塞6的凹坑7內，位置較接近氣缸中心線，可縮短燃油與空氣間的平均距離。本發(fā)明的燃燒室在活塞6內設置若干將凹坑7和活塞6頂上空間13連通的傾斜通道9，見圖1和圖2。所述通道9在活塞6內圓周方向上的布置是偏心的，它要保證在凹坑7內的出口11的中心線位于以凹坑7中心線上的點為圓心的圓的切線方向上。通道9在活塞6頂面的出口10避開氣閥下方位置，其周向分布及徑向位置有利于燃油充分利用活塞6頂面以上空間的空氣，尤其是靠近缸套5一側的空氣進行燃燒，以及有利于產生較強的切向渦流。于是，在為副室內的過濃混合氣運動擴散到新鮮空氣較富余的主室進行混合燃燒提供短捷、周向分布較均勻的路徑的路徑的同時，還利用這些通道為其內部的高速噴流導向，在主室內形成切向渦流，在副室內形成旋轉軸相互垂直的切向渦流和滾動渦流，為高速進行后續(xù)擴散燃燒創(chuàng)造條件。本發(fā)明所設傾斜通道9的總流動面積可比現(xiàn)有技術分隔式燃燒室的連絡通道面積大得多，能最大限度地避免節(jié)流損失。
本發(fā)明燃燒室在缸蓋1下表面還有和傾斜通道9在活塞頂面的出口10在位置、形狀上也相匹配的小凸臺12，小凸臺12當活塞6運動至上止點附近時嵌入并基本封閉出口10。選擇該小凸臺12的高度，使它得以周期地在缸內空間被大凸臺2分隔為主、副室后，在上止點前后曲軸轉角共約6°～24°(各通道9之間可以有差別)范圍內也伸進通道9在活塞6的頂面出口10內，堵塞經過通道9的氣體流動，使燃燒前期釋放的能量大部分積蓄在副室內。通道9在壓縮上止點后恢復暢通，在主、副室氣體壓力差驅動下，副室內過濃混合氣經通道9高速噴入主室。設計合適的通道9出口10的位置，能引導上述過濃混合氣在主室空間內較均勻分布，同時大量卷吸主室內的新鮮空氣進行強烈再混合燃燒。由此，通過小凸臺12、傾斜通道9以及燃燒室壁面三者的配合，可達到如下效果①燃燒能量先積蓄后釋放；②副室內過濃混合氣在主室空間的快速均勻分布及與主室空氣的強烈再混合燃燒；③為后續(xù)的主、副室分隔消失后的缸內一體化擴散燃燒提供高湍流強度的切向渦流和滾動渦流并存的流場。
本發(fā)明燃燒室活塞6的凹坑7底部采用凸臺隆起結構，可配合通道9的導向作用，使凹坑7內空氣更集中于方便被燃料利用的通道9的出口11附近的區(qū)域。
所有以上措施保證本發(fā)明能近似實現(xiàn)直噴式柴油機的等壓燃燒過程，使運動件及傳動軸承承受的機械負荷同等壓燃燒過程基本一樣。
同現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的等壓燃燒室能全面提高小型高速柴油機的綜合性能1、運行經濟性方面1).指示熱效率提高。
①采用更大的壓縮比；②燃燒持續(xù)角縮短，循環(huán)定容度提高。主要原因是，周向分布較均勻的短捷通道9縮短了燃料與空氣間的平均距離，燃油空間分布均勻度改善，過濃混合氣由副室向主室噴射促進了燃油與空氣的混合，較高的湍流強度和較強的切向渦流及滾動渦流加快了主、后燃期的擴散燃燒速度。
2).機械效率提高。
①不需要組織進氣渦流，泵氣功損失??；②高壓油泵耗功減少，主要原因是對燃油噴射要求降低，可調低噴射壓力；③活塞6與缸套5之間摩擦損失減少，主要原因是活塞6運行至與缸套5之間潤滑條件較差的壓縮上止點附近，主燃室內壓力不因燃燒而升得太高，溫度也比較低，減少了活塞6與缸套5之間的摩擦損失。
2、運動件及傳動軸承受到的沖擊減小，使發(fā)動機的振動和噪聲都大幅度下降。主要原因是運動件和傳動軸承所承受的機械負荷與直噴式柴油機等壓燃燒過程的情況相同。
3、對環(huán)境的污染減輕1)NOx排放減少，主要是局部高溫區(qū)減少，缸內溫度均勻性較好，高溫區(qū)延續(xù)時間短。
①壓縮過程后期，大凸臺2對缸內空間的分隔及小凸臺12對通道9的堵塞，使副室內氣體受到壓縮的程度減輕，有助于降低副室內達到的最高溫度和最大壓力；②副室向主室的噴射，能使高溫燃燒產物和周圍溫度較低的空氣迅速混合，減少了局部高溫區(qū)及其延續(xù)時間；③強烈的切向渦流和滾動渦流迅速吹散了高溫燃燒產物。
2)黑煙排放少，主要原因是缺氧造成的燃料裂化減少，燃燒過程中生成的炭煙也有較多機會和時間在排出氣缸前燒掉。
①不組織進氣渦流使充氣效率提高，缸內新鮮空氣較多；②燃油在缸內空間分布的均勻度提高，它不僅借助于噴射能夠較均勻地分布于副室中，還能通過短捷的通道9比較均勻地分布于活塞6頂平面以上空間13中；③燃油與空氣的混合條件改善，副室向主室的噴射流動促進燃油與空氣混合，造成主、后燃期缸內的高湍流強度，以及強切向渦流和滾動渦流的作用。
4、可靠性提高，制造成本下降1)缸蓋1不再需要設置渦流進氣道；2)燃油系統(tǒng)可采用成本較低的分隔式燃燒室類型的系統(tǒng)。
5.高、低速性能容易匹配，工作轉速范圍廣。主要原因是，缸內渦流是燃燒室自造的，對轉速不敏感；又因不用產生進氣渦流，從而使充氣效率比較有保證。
鑒于上述諸多優(yōu)點，本發(fā)明在各種車用、產業(yè)機器用柴油機上都有廣泛的應用前景，在軍用柴油機上更有獨特優(yōu)點如用于戰(zhàn)車柴油機，能大幅度減少散熱量，縮小戰(zhàn)車的紅外目標，提高其戰(zhàn)場生存能力；用于潛艇柴油機上時，能大幅度降低發(fā)動機引起的潛艇振動、噪聲，既改善乘員生活環(huán)境，還提高了潛艇的隱蔽性。另外，如用火花塞取代噴油嘴，本發(fā)明還可作為汽油機燃燒室，能顯著抑制爆震，提高經濟性。
權利要求
1.一種柴油機等壓燃燒室，包括缸蓋(1)、缸套(5)和活塞(6)，活塞(6)頂部有凹坑(7)，它們圍成所述燃燒室，缸蓋(1)下表面有一和凹坑(7)的喉口(8)在位置、形狀上相匹配的大凸臺(2)，噴油嘴(3)設在其上，其特征在于工作循環(huán)含有燃燒能量先積蓄后釋放過程，所述大凸臺(2)當活塞(6)運動至上止點時嵌入并基本封閉喉口(8)；在活塞(6)內有將凹坑(7)和活塞(6)頂上空間(13)連通的傾斜通道(9)，在缸蓋(1)下表面還有和通道(9)在活塞(6)頂面的出口(10)在位置、形狀上也相匹配的小凸臺(12)，小凸臺(12)當活塞(6)運動至上止點時嵌入并基本封閉出口(10)。
2.按照權利要求
1所述的柴油機等壓燃燒室，其特征在于選擇所述大凸臺(2)的高度，使它得以周期地在上止點前后曲軸轉角12°～34°范圍內伸進凹坑喉口(8)內，將缸內空間臨時的分隔成凹坑(7)內的副室和活塞(6)頂上的主室。
3.按照權利要求
1所述的柴油機等壓燃燒室，其特征在于選擇所述小凸臺(12)的高度，使它得以周期地在上止點前后曲軸轉角6°～24°范圍內伸進通道(9)在活塞(6)的頂面出口(10)內。
4.按照權利要求
1所述的柴油機等壓燃燒室，其特征在于所述傾斜通道(9)在活塞(6)內圓周方向上的布置是偏心的，它要保證在凹坑(7)內的出口(11)的中心線位于以凹坑(7)中心線上點為圓心的圓的切線方向上。
5.按照權利要求
1所述的柴油機等壓燃燒室，其特征在于所述通道(9)在活塞(6)頂面的出口(10)避開氣閥下方位置。
6.按照權利要求
1所述的柴油機等壓燃燒室，其特征在于所述活塞(6)的凹坑(7)，其底部采用凸臺隆起結構。
專利摘要
一種柴油機等壓燃燒室，包括缸蓋1、缸套5、活塞6、凹坑7、凹坑喉口8、大凸臺2。連通凹坑7和活塞6頂上空間13的傾斜通道9及其出口10、缸蓋1上的小凸臺12、噴油嘴3。工作循環(huán)含有燃燒能量先積蓄后釋放過程，當活塞運動到上止點時，大凸臺2和小凸臺12分別封閉凹坑喉口8和出口10而形成燃燒副室，將分隔式的特點融入到直噴式燃燒室中，能全面提高小型高速柴油機的綜合性能。
文檔編號F02B3/06GKCN1048313SQ94108419
公開日2000年1月12日 申請日期1994年7月8日
發(fā)明者陳燕, 阮振偉 申請人:陳燕, 阮振偉導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan