專利名稱：柴油機(jī)等壓燃燒室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及活塞式內(nèi)燃機(jī)，特別是涉及以燃燒室形狀和結(jié)構(gòu)改善燃燒質(zhì)量的小型高速柴油機(jī)。
小型高速柴油機(jī)的燃燒室，現(xiàn)有技術(shù)基本上都是直噴式或分隔式的，兩者各有長(zhǎng)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(nèi)與受壓縮空氣混合燃燒。采用直噴式燃燒室的柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性較好，容易起動(dòng)，但振動(dòng)和噪聲較大，氮氧化物(NOx)排放量較多，容易產(chǎn)生黑煙，對(duì)燃油系統(tǒng)也要求較高，缸蓋內(nèi)往往要設(shè)置渦流進(jìn)氣道，這除了容易導(dǎo)致鼻梁區(qū)熱應(yīng)力過大外，還同時(shí)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(shè)置在缸蓋內(nèi)部。在副室內(nèi)噴油燃燒，過濃混合氣經(jīng)連絡(luò)主、副室的通道或噴孔，從副室高速噴入主室，在主室內(nèi)進(jìn)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(jī)振動(dòng)和噪聲都較小，污染物排放量也少，對(duì)燃油系統(tǒng)要求較低，不用設(shè)置渦流進(jìn)氣道，對(duì)燃料適應(yīng)性較強(qiáng)，工作轉(zhuǎn)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(zhì)作用，加上連絡(luò)通道的節(jié)流損失等，使運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性能和起動(dòng)性能都較差。
本發(fā)明的目的在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供一種將分隔式燃燒室特點(diǎn)融入直噴式燃燒室中，在兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的基礎(chǔ)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(shù)，從而使小型柴油機(jī)綜合性能全面提高。
等壓燃燒過程作為直噴式柴油機(jī)的理想燃燒過程之一受到極大重視，其主要優(yōu)點(diǎn)是在限定運(yùn)動(dòng)件承受的最大機(jī)械負(fù)菏(相應(yīng)于最大缸內(nèi)壓力)的條件下，柴油機(jī)有最好的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)能減小運(yùn)動(dòng)件及傳動(dòng)軸承受到的沖擊，減小振動(dòng)和噪聲。
就汽缸內(nèi)壓力及活塞所承受和傳遞的缸內(nèi)氣體合作用力而言，現(xiàn)有技術(shù)直噴式柴油機(jī)的燃燒過程和等壓燃燒過程在如下三個(gè)階段有較大差異第一階段，燃燒開始至壓縮上止點(diǎn)，燃燒急劇放熱使缸內(nèi)壓力高于純壓縮過程壓力值，活塞所承受缸內(nèi)氣體合作用力因而大大高于純壓縮過程的對(duì)應(yīng)值；第二階段，壓縮上止點(diǎn)至缸內(nèi)壓力達(dá)到最大值時(shí)，活塞下行，缸內(nèi)容積增大，但缸內(nèi)壓力不是保持恒定，而因?yàn)榭焖偃紵^續(xù)升高，活塞所承受氣體合作用力相應(yīng)地不斷增大；第三階段，缸內(nèi)壓力達(dá)到最大值至燃燒結(jié)束，活塞迅速下行使缸內(nèi)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(gè)階段差異的特點(diǎn)，其實(shí)質(zhì)在于①第一、二階段內(nèi)燃燒能量過多；②第三階段內(nèi)燃燒速度太慢。針對(duì)這樣分析，消除上述差異，實(shí)現(xiàn)直噴式柴油機(jī)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(shí)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(nèi)的氣體壓力決定。副室內(nèi)先開始燃燒，燃燒能量大部分積蓄起來，使主室內(nèi)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(shí)為提高后期燃燒速度準(zhǔn)備條件，如在主室內(nèi)均勻分布燃料，把副室內(nèi)的過濃混合氣和主室空氣迅速混合以及制造高湍流強(qiáng)度的渦旋氣流等。第三階段后期，缸內(nèi)主、副室分隔消失，發(fā)生高速度擴(kuò)散燃燒，從而保證燃燒結(jié)束前缸內(nèi)壓力不改變。
于是，本發(fā)明的目的可以通過采取以下措施來實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造一種柴油機(jī)等壓燃燒室，工作循環(huán)含有燃燒能量先積蓄后釋放過程，包括缸蓋、缸套和活塞，活塞頂部有一凹坑，它們圍成所述燃燒室。所述缸蓋下表面有一和凹坑喉口在位置、形狀上相匹配的大凸臺(tái)；在活塞內(nèi)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通道在活塞頂面的出口在位置、形狀上也相匹配的小凸臺(tái)；噴油嘴設(shè)在大凸臺(tái)上。
附圖的圖面說明如下

圖1是本發(fā)明燃燒室一個(gè)最佳實(shí)施例的局部縱向剖視圖；圖2是同一實(shí)施例活塞的俯視圖。
以下結(jié)合附圖所示之最佳實(shí)施例作進(jìn)一步詳述本發(fā)明的柴油機(jī)等壓燃燒室，工作循環(huán)含有燃燒能量先積蓄后釋放過程，如圖1所示，其結(jié)構(gòu)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(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角范圍較小，對(duì)于壓縮上止點(diǎn)有一定角度的對(duì)稱性，以及缸蓋與活塞間距離小的特點(diǎn)，在直噴式柴油機(jī)缸蓋1下表面設(shè)一和凹坑7的喉口8在位置、形狀上相匹配的大凸臺(tái)2；選擇該大凸臺(tái)2的高度，使它得以周期地在上止點(diǎn)前后曲軸轉(zhuǎn)角12°～34°范圍內(nèi)因活塞6移近而伸進(jìn)凹坑喉口8內(nèi)，將缸內(nèi)空間臨時(shí)地分隔成容積較小的凹坑7內(nèi)的副室和活塞6頂上的主室兩部分。噴油嘴3設(shè)在大凸臺(tái)2上。所以本發(fā)明的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(diǎn)，且副室在活塞6的凹坑7內(nèi)，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(nèi)設(shè)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(nèi)圓周方向上的布置是偏心的，它要保證在凹坑7內(nèi)的出口11的中心線位于以凹坑7中心線上的點(diǎn)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要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(cè)的空氣進(jìn)行燃燒，以及有利于產(chǎn)生較強(qiáng)的切向渦流。于是，在為副室內(nèi)的過濃混合氣運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散到新鮮空氣較富余的主室進(jìn)行混合燃燒提供短捷、周向分布較均勻的路徑的同時(shí)，還利用這些通道為其內(nèi)部的高速噴流導(dǎo)向，在主室內(nèi)形成切向渦流，在副室內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)軸相互垂直的切向渦流和滾動(dòng)渦流，為高速進(jìn)行后續(xù)擴(kuò)散燃燒創(chuàng)造條件。本發(fā)明所設(shè)傾斜通道9的總流動(dòng)面積可比現(xiàn)有技術(shù)分隔式燃燒室的連絡(luò)通道總面積大得多，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6頂面的出口10在位置、形狀上也相匹配的小凸臺(tái)12，選擇該小凸臺(tái)12的高度，使它得以周期地在缸內(nèi)空間被大凸臺(tái)2分隔為主、副室后，在上止點(diǎn)前后曲軸轉(zhuǎn)角共約6°～24°(各通道9之間可以有差別)范圍內(nèi)也伸進(jìn)通道9在活塞6的頂面出口10內(nèi)，堵塞經(jīng)過通道9的氣體流動(dòng)，使燃燒前期釋放的能量大部分積蓄在副室內(nèi)。通道9在壓縮上止點(diǎn)后恢復(fù)暢通，在主、副室氣體壓力差驅(qū)動(dòng)下，副室內(nèi)過濃混合氣經(jīng)通道9高速噴入主室。設(shè)計(jì)合適的通道9出口10的位置，能引導(dǎo)上述過濃混合氣在主室空間內(nèi)較均勻分布，同時(shí)大量卷吸主室內(nèi)的新鮮空氣進(jìn)行強(qiáng)烈再混合燃燒。由此，通過小凸臺(tái)12、傾斜通道9以及燃燒室壁面三者的配合，可達(dá)到如下效果①燃燒能量先積蓄后釋放；②副室內(nèi)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(qiáng)烈再混合燃燒；③為后續(xù)的主、副室分隔消失后的缸內(nèi)一體化擴(kuò)散燃燒提供高湍流強(qiáng)度的切向渦流和滾動(dòng)渦流并存的流場(chǎng)。
本發(fā)明燃燒室活塞6的凹坑7底部采用凸臺(tái)隆起結(jié)構(gòu)，可配合通道9的導(dǎo)向作用，在凹坑7內(nèi)形成較強(qiáng)烈的切向渦流和滾動(dòng)渦流，并使凹坑7內(nèi)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(shí)現(xiàn)直噴式柴油機(jī)的等壓燃燒過程，使運(yùn)動(dòng)件及傳動(dòng)軸承承受的機(jī)械負(fù)荷同等壓燃燒過程基本一樣。
同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的等壓燃燒室能全面提高小型高速柴油機(jī)的綜合性能1、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)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(jìn)了燃油與空氣的混合，較高的湍流強(qiáng)度和較強(qiáng)的切向渦流及滾動(dòng)渦流加快了主、后燃期的擴(kuò)散燃燒速度。
2)機(jī)械效率提高。
①不需要組織進(jìn)氣渦流，泵氣功損失小；②高壓油泵耗功減少，主要原因是對(duì)燃油噴射要求降低，可調(diào)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(yùn)行至與缸套5之間潤(rùn)滑條件較差的壓縮上止點(diǎn)附近，主燃室內(nèi)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之間的摩擦阻力，也有利于改善兩者間的潤(rùn)滑。
2、運(yùn)動(dòng)件及傳動(dòng)軸承受到的沖擊減小，使發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和噪聲都大幅度下降。主要原因是運(yùn)動(dòng)件和傳動(dòng)軸承所承受的機(jī)械負(fù)荷與直噴式柴油機(jī)等壓燃燒過程的情況相同。
3、對(duì)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(nèi)溫度均勻性較好，高溫區(qū)延續(xù)時(shí)間短。
①壓縮過程后期，大凸臺(tái)2對(duì)缸內(nèi)空間的分隔及小凸臺(tái)12對(duì)通道9的堵塞，使副室內(nèi)氣體受到壓縮的程度減輕，有助于降低副室內(nèi)達(dá)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(chǎn)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(shí)間；③強(qiáng)烈的切向渦流和滾動(dòng)渦流迅速吹散了高溫燃燒產(chǎn)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(jī)會(huì)和時(shí)間在排出氣缸前燒掉。
①不組織進(jìn)氣渦流使充氣效率提高，缸內(nèi)新鮮空氣較多；②燃油在缸內(nèi)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(dòng)促進(jìn)燃油與空氣混合，造成主、后燃期缸內(nèi)的高湍流強(qiáng)度，以及強(qiáng)切向渦流和滾動(dòng)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(shè)置渦流進(jìn)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(zhuǎn)速范圍廣。主要原因是，缸內(nèi)渦流是燃燒室自造的，對(duì)轉(zhuǎn)速不敏感；又因不用產(chǎn)生進(jìn)氣渦流，從而使充氣效率比較有保證。
鑒于上述諸多優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明在各種車用、產(chǎn)業(yè)機(jī)器用柴油機(jī)上都有廣泛的應(yīng)用前景，在軍用柴油機(jī)上更有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)如用于戰(zhàn)車柴油機(jī)，能大幅度減少散熱量縮小戰(zhàn)車的紅外目標(biāo)，提高其戰(zhàn)場(chǎng)生存能力；用于潛艇柴油機(jī)上時(shí)，能大幅度降低發(fā)動(dòng)機(jī)引起的潛艇振動(dòng)、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(jī)燃燒室，能顯著抑制爆震，提高經(jīng)濟(jì)性。
權(quán)利要求
1，一種柴油機(jī)等壓燃燒室，工作循環(huán)含有燃燒能量先積蓄后釋放過程，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，其特征在于缸蓋(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(tái)(2)；在活塞(6)內(nèi)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(tái)(12)；噴油嘴(3)設(shè)在大凸臺(tái)(2)上。
2，按照權(quán)利要求1所述的柴油機(jī)等壓燃燒室，其特征在于選擇所述大凸臺(tái)(2)的高度，使它得以周期地在上止點(diǎn)前后曲軸轉(zhuǎn)角12°～34°范圍內(nèi)伸進(jìn)凹坑喉口(8)內(nèi)，將缸內(nèi)空間臨時(shí)地分隔成凹坑(7)內(nèi)的副室和活塞(6)頂上的主室。
3，按照權(quán)利要求1所述的柴油機(jī)等壓燃燒室，其特征在于選擇所述小凸臺(tái)(12)的高度，使它得以周期地在上止點(diǎn)前后曲軸轉(zhuǎn)角6°～24°范圍內(nèi)伸進(jìn)通道(9)在活塞(6)的頂面出口(10)內(nèi)。
4，按照權(quán)利要求1所述的柴油機(jī)等壓燃燒室，其特征在于所述傾斜通道(9)在活塞(6)內(nèi)圓周方向上的布置是偏心的，它要保證在凹坑(7)內(nèi)的出口(11)的中心線位于以凹坑(7)中心線上的點(diǎn)為圓心的圓的切線方向上。
5，按照權(quán)利要求1所述的柴油機(jī)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(tái)隆起結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種柴油機(jī)等壓燃燒室，工作循環(huán)含有燃燒能量先積蓄后釋放過程，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下表面有一和凹坑喉口8在位置、形狀上相匹配的大凸臺(tái)2。在活塞6內(nèi)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(tái)12。噴油嘴3設(shè)在大凸臺(tái)2上。所述燃燒室是將分隔式的特點(diǎn)融入到直噴式燃燒室中，能全面提高小型高速柴油機(jī)的綜合性能。
文檔編號(hào)F02B3/00GK1115354SQ94108419
公開日1996年1月24日 申請(qǐng)日期1994年7月8日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月8日
發(fā)明者陳燕, 阮振偉 申請(qǐng)人:陳燕, 阮振偉