一种柴油机直壁双卷流燃烧室.pdf

一种柴油机直壁双卷流燃烧室，该燃烧室的轴向截面轮廓呈ω字型，包括由活塞的顶部至燃烧室底部依次连接的上导流部、喉口、下导流部、球冠状凸台，喉口包括由上至下依次连接的一号导流台、圆弧过渡段、二号导流台，一号导流台为倒圆锥台结构，其内壁的切面与活塞的顶面的夹角为14°–16°，其上端面内径与顶面的直径的比值为0.7–0.74，二号导流台为圆柱形结构，其内壁的切面与活塞的轴线平行，其内径与燃烧室内位于喉口下部区域的最大内径的比值为0.97–0.99，上导流部为内径由上至下递减的环状圆弧形凸起。本设计不仅提高活塞喉口的热疲劳可靠性，而且使发动机具有较好的燃油经济性和排放特性。

权利要求书
1.  一种柴油机直壁双卷流燃烧室，该燃烧室的轴向截面轮廓呈ω字型，包括由活塞（7）的顶部至燃烧室底部依次连接的上导流部（1）、喉口（2）、下导流部（3），所述喉口（2）包括由上至下依次连接的一号导流台（21）、圆弧过渡段（22）、二号导流台（23），其特征在于：
所述二号导流台（23）为圆柱形结构，其内壁的切面与活塞（7）的轴线平行，且二号导流台（23）的内径与燃烧室内位于喉口（2）下部区域的最大内径的比值为0.97–0.99。

2.  根据权利要求1所述的一种柴油机直壁双卷流燃烧室，其特征在于：所述一号导流台（21）为倒圆锥台结构，其内壁的切面与活塞（7）的顶面（71）的夹角（α）为14°–16°。

3.  根据权利要求1或2所述的一种柴油机直壁双卷流燃烧室，其特征在于：所述一号导流台（21）的上端面内径与顶面（71）的直径的比值为0.7–0.74。

4.  根据权利要求1或2所述的一种柴油机直壁双卷流燃烧室，其特征在于：所述上导流部（1）为内径由上至下递减的环状弧形凸起，其上端与顶面（71）相连接，下端通过开口朝向顶面（71）的圆弧过渡槽（4）与一号导流台（21）的上端相连接。

5.  根据权利要求1或2所述的一种柴油机直壁双卷流燃烧室，其特征在于：所述燃烧室的底部中央设置有球冠状凸台（5）。

6.  根据权利要求5所述的一种柴油机直壁双卷流燃烧室，其特征在于：所述下导流部（3）为开口朝向顶面（71）的圆弧凹槽，其上端通过圆弧过渡凸台（6）与二号导流台（23）的下端相连接，下端与球冠状凸台（5）的底面周圈相连接。

说明书一种柴油机直壁双卷流燃烧室
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种柴油机直壁双卷流燃烧室，具体适用于提高活塞喉口的热疲劳可靠性以及发动机的燃油经济性和排放特性。
背景技术
现代直喷式增压柴油机燃烧室一般是带缩口的ω型燃烧室，由燃烧室喉口、燃烧室圆弧面和中央凸台组成。高压燃油直接喷射在燃烧室喉口部位，在燃烧室圆弧面的导流作用下向燃烧室中心卷吸，可以充分利用燃烧室凹坑内的新鲜空气，但无法较好利用活塞顶隙部分的新鲜空气，缸内空气利用率较低，燃烧组织困难，热效率也会比较低。另外，随着柴油机强化程度的提高，活塞的热负荷显著提升，因此对活塞的可靠性提出了更高的要求。
中国专利：申请公布号为CN103696870A，申请公布日为2014年4月2日的发明专利公开了一种柴油机气缸活塞，其顶面具有轴向截面外轮廓呈“ω”字形的燃烧室，燃烧室的外侧内壁具有内伸于容腔的弧脊，以弧脊的径向突出最高点形成的切线划分燃烧室为内侧常规区和凹槽区；燃烧室的喉口外沿处具有坡口，以形成与凹槽区连通的缓冲区，缓冲区的外轮廓自凹槽区至活塞顶面呈渐近的趋势变化。虽然该发明通过对燃烧室的结构优化，可以调整上涡流走向，在满足提高热效率、降低油耗的基础上，能够有效规避缸盖底面热负荷较高的问题，但仍然存在以下缺陷：
1、该发明中燃烧室的喉口由直线段4（与水平面的夹角为8°–10°）、直线段6（与水平面的夹角为65°–75°）以及连接直线段4与直线段6的半径为4–5mm的圆弧组成，且其弧脊径向突出最高点至活塞中心线的距离1与燃烧室常规区A的最大直径L的比值仅为0.7–0.75，喉口弧脊向燃烧室内部突出明显，因此喉口内侧与活塞冷却油道之间的距离较大，该设计会使得燃烧过程中喉口的受热面积显著增大，容易导致喉口热负荷过高而失效，造成活塞喉口氧化剥落或喉口开裂等问题，从而影响活塞的可靠性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的喉口的热疲劳可靠性较差的问题，提供一种能显著改善喉口的热疲劳可靠性的柴油机直壁双卷流燃烧室。
为实现以上目的，本发明的技术方案如下：
一种柴油机直壁双卷流燃烧室，该燃烧室的轴向截面轮廓呈ω字型，包括由活塞的顶部至燃烧室底部依次连接的上导流部、喉口、下导流部，所述喉口包括由上至下依次连接的一号导流台、圆弧过渡段、二号导流台；
所述二号导流台为圆柱形结构，其内壁的切面与活塞的轴线平行，且二号导流台的内径与燃烧室内位于喉口下部区域的最大内径的比值为0.97–0.99。
所述一号导流台为倒圆锥台结构，其内壁的切面与活塞的顶面的夹角为14°–16°。
所述一号导流台的上端面内径与顶面的直径的比值为0.7–0.74。
所述上导流部为内径由上至下递减的环状圆弧形凸起，其上端与顶面相连接，下端通过开口朝向顶面的圆弧过渡槽与一号导流台的上端相连接。
所述燃烧室的底部中央设置有球冠状凸台。
所述下导流部为开口朝向顶面的圆弧凹槽，其上端通过圆弧过渡凸台与二号导流台的下端相连接，下端与球冠状凸台的底面周圈相连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种柴油机直壁双卷流燃烧室中二号导流台为圆柱形结构，其内壁的切面与活塞的轴线平行，且二号导流台的内径与燃烧室内位于喉口下部区域的最大内径的比值为0.97–0.99，即将喉口处设计成与活塞轴线平行的直壁结构，并显著增大喉口处的内径与燃烧室常规区最大内径的比值，不仅显著减小了喉口的受热面积，而且缩小了喉口内侧与活塞冷却油道的距离，该设计可将燃烧过程中活塞喉口的温度降低至90℃左右，明显改善了活塞喉口的热负荷，从而有效提高了喉口的热疲劳可靠性。因此，本发明显著改善了喉口的热疲劳可靠性。
2、本发明一种柴油机直壁双卷流燃烧室中一号导流台为倒圆锥台结构，其内壁的切面与活塞顶面的夹角为14°–16°，即采用较大的夹角与上导流部进行过渡，使得一号导流台的轴向高度较大，能够更好的阻止燃油喷射到缸套壁面上，有效防止烧机油现象的发生，同时，该设计可允许在相同油嘴安装高度下采用较大喷孔夹角的油嘴，从而获得更好的燃油经济性和排放特性，或在采用相同喷孔夹角的油嘴时降低油嘴的安装高度，较小的油嘴安装高度可以缩短油嘴伸出燃烧室的长度，降低油嘴热负荷和喷孔结焦风险，进而提高油嘴的可靠性和使用寿命。因此，本发明不仅能够避免烧机油现象的发生，而且经济性和可靠性较高。
3、本发明一种柴油机直壁双卷流燃烧室中一号导流台上端面的内径与活塞顶面直径的比值为0.7–0.74，即采用较小的口径比，使得在压缩上止点产生更强的进气旋流和挤流，加速油气的混合，获得更均匀的可燃混合气和更快的燃烧速度，从而得到更好的燃油经济性和排放；同时，上导流部为内径由上至下递减的环状圆弧形凸起，其上端与活塞顶面相连接，下端通过开口朝向活塞顶面的圆弧过渡槽与一号导流台的上端相连接，即上导流部为内缩口结构，一号导流台直接采用圆弧过渡与活塞顶面连接，无需增设缓冲区，该设计不仅可以防止燃油直接喷射到缸套上，降低了缸套的热负荷和烧机油的风险，而且使得燃烧室常规区的容积较大，主喷射区域的燃油有更多的新鲜空气可以利用，从而获得更好的混合均匀性，具有更好的燃油经济性和排放特性；另外，燃烧室的底部中央设置有球冠状凸台，即中央凸台采用球冠状结构，与锥形凸台结构相比，球冠状凸台斜率较小，有利于燃油和火焰向燃烧室的中心扩展，并同时形成中央凸台导流和底部圆弧导流两股导流，使得新鲜空气的利用和油气混合更好，从而获得更好的燃油经济性和排放。因此，本发明可获得较优的燃油经济性和排放特性。
附图说明
图1为本发明的结构分解示意图。
图2为图1中A的局部放大示意图。
图3为燃烧室内的气流走向示意图。
图中：上导流部1、喉口2、一号导流台21、圆弧过渡段22、二号导流台23、下导流部3、圆弧过渡槽4、球冠状凸台5、圆弧过渡凸台6、活塞7、顶面71、一号导流台的内壁切面与活塞顶面的夹角α。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1至图3，一种柴油机直壁双卷流燃烧室，该燃烧室的轴向截面轮廓呈ω字型，包括由活塞7的顶部至燃烧室底部依次连接的上导流部1、喉口2、下导流部3，所述喉口2包括由上至下依次连接的一号导流台21、圆弧过渡段22、二号导流台23；
所述二号导流台23为圆柱形结构，其内壁的切面与活塞7的轴线平行，且二号导流台23的内径与燃烧室内位于喉口2下部区域的最大内径的比值为0.97–0.99。
所述一号导流台21为倒圆锥台结构，其内壁的切面与活塞7的顶面71的夹角α为14°–16°。
所述一号导流台21的上端面内径与顶面71的直径的比值为0.7–0.74。
所述上导流部1为内径由上至下递减的环状圆弧形凸起，其上端与顶面71相连接，下端通过开口朝向顶面71的圆弧过渡槽4与一号导流台21的上端相连接。
所述燃烧室的底部中央设置有球冠状凸台5。
所述下导流部3为开口朝向顶面71的圆弧凹槽，其上端通过圆弧过渡凸台6与二号导流台23的下端相连接，下端与球冠状凸台5的底面周圈相连接。
本发明的原理说明如下：
本发明中一号导流台21的设计加强了对活塞顶隙部分新鲜空气的利用，促进了燃油在发动机缸内空间分布的均匀性，可以改善燃油经济性，降低有害排放物的生成；上导流部1的内缩口设计可以防止燃油直接喷射到缸套上，降低了缸套的热负荷和烧机油的风险；二号导流台23的设计在保持ω型燃烧室挤流效果的同时，可以显著增加燃烧室喉口的散热面积，以及燃烧室喉口到活塞冷却油道的距离，从而大幅降低活塞喉口的热负荷；即本燃烧室能达到降低油耗和排放的目的，同时可以显著降低活塞喉口的热负荷，提高活塞的可靠性。燃烧室内的气流具体走向如下：
燃烧室喉口2的上部为一号导流台21，下部是二号导流台23，喷射到圆弧过渡段22的燃油形成两路气流运动，一路依次沿一号导流台21、圆弧过渡槽4、上导流部1向上卷吸形成上卷吸流，混合燃气（已燃和未燃）被卷吸到顶面71与缸盖底面的区域，使得这部分新鲜空气得以充分利用，缸内燃油空间分布更加均匀；另一路则依次沿二号导流台23、圆弧过渡凸台6、下导流部3、球冠状凸台5向燃烧室中心卷吸，形成下卷吸流。在下卷吸流到达球冠状凸台5之前，混合燃气（已燃和未燃）发生流向分离，大部分混合燃气经下导流部3后被卷入燃烧室上部空气较为充足的区域，形成底部圆弧导流，剩下的混合燃气则经下导流部3后沿球冠状凸台5汇集于其上部，在下导流部3的引流作用下，剩下的混合燃气与球冠状凸台5上部的空气的混合明显加强，因此该部分混合燃气的燃烧过程也比较完全。
作为本发明的优选，所述上导流部1的最大直径为46.2–46.4mm，上导流部1的圆弧半径为0.75–0.8mm，该圆弧的圆心与顶面71的距离为0.9–1mm，一号导流台21为46.2–46.4mm，圆弧过渡段22的圆弧圆心与顶面71的距离为6.5–6.7mm，下导流部3的圆弧半径为8–8.2mm，其圆弧圆心到活塞7的中轴线的距离为31–31.3mm，圆弧圆心到顶面71的距离为11.9–12mm，圆弧过渡槽4的圆弧半径为为1–1.2mm，、球冠状凸台5的底面半径可为57–58mm，球冠状凸台5的顶部与顶面71的距离为11.8–11.9mm，圆弧过渡凸台6的圆弧半径为为3–3.2mm，燃烧室的溶积为85.5–85.7mL。
实施例1：
参见图1至图3，一种柴油机直壁双卷流燃烧室，该燃烧室的轴向截面轮廓呈ω字型，包括由活塞7的顶部至燃烧室底部依次设置的上导流部1、喉口2、下导流部3、球冠状凸台5，所述喉口2包括由上至下依次连接的一号导流台21、圆弧过渡段22、二号导流台23，所述上导流部1为内径由上至下递减的环状圆弧形凸起，其上端与顶面71相连接，下端通过开口朝向顶面71的圆弧过渡槽4与一号导流台21的上端相连接，所述一号导流台21为倒圆锥台结构，其内壁的切面与活塞7的顶面71的夹角α为14°–16°，一号导流台21的上端面内径与顶面71的直径的比值为0.7–0.74，所述二号导流台23为圆柱形结构，其内壁的切面与活塞7的轴线平行，二号导流台23的内径与燃烧室内位于喉口2下部区域的最大内径的比值为0.97–0.99，所述下导流部3为开口朝向顶面71的圆弧凹槽，其上端通过圆弧过渡凸台6与二号导流台23的下端相连接，下端与球冠状凸台5的底面周圈相连接，且球冠状凸台5位于燃烧室的底部中央。
采用本发明燃烧室的发动机的排放和油耗性能结果如下:NOx排放为3.1g/kWh，颗粒物PM排放为0.017g/kWh，最低比油耗是187g/kWh，区域达到11.8%，达到国IV排放水平，且与现有的技术方案相比，油耗优势较为明显。