一种燃烧室与一种柴油发动机的制作方法

1.本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种燃烧室与一种柴油发动机。


背景技术：

2.请参照图1，为了使柴油机的燃烧室内的油束与空气更好混合，现有的柴油机燃烧室通常包括在活塞顶部设计的ω型的燃烧室凹坑结构，具体的，该ω型的燃烧室凹坑结构的底部中央设计有向上凸出的大致呈圆锥形的中央凸起结构01，燃烧室凹坑的周向侧壁靠近活塞上顶面04的位置设计有沿径向向内凸出的环形凸缘结构02。柴油机在工作时，燃油以很高的压力和很高的速度从喷油器的喷油孔射出，在气缸中的空气阻力以及燃油在高速流动时所产生的内部扰动作用下，燃油被粉碎成细小的油滴，且喷油器喷出的油雾整体形如圆锥，通常将这种由许多油滴所组成的圆锥体称为油束。
3.现有技术中，环形凸缘结构02与活塞上顶面04之间的过渡面为圆滑过渡面03，由喷油器喷射到环形凸缘结构02的油束被分隔成上下两部分，一部分沿燃烧室凹坑内壁向下运动，另一部分则沿上述圆滑过渡面03向上流动至活塞上顶面04。其中，向下运动的油束与空气混合后形成的混合气在油束自身动能和空气流的作用下会沿着燃烧室凹坑底部的中央凸起结构01的圆锥面继续上行，导致燃烧过程中的高温燃气一直与中央凸起结构01的圆锥面接触，进而导致缸内热量向活塞及活塞内部的冷却油腔传递，造成较大的传热损失，降低了发动机的热效率，降低发动机燃油经济性。
4.因此，如何提升柴油机热效率，降低发动机油耗，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃烧室，该燃烧室结构能够提升柴油机热效率、降低发动机油耗。本发明的另一个目的在于提供一种包括该燃烧室的柴油发动机。
6.为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种燃烧室，包括位于活塞的顶部的燃烧室凹坑，所述燃烧室凹坑的周向壁面设有朝向喷油嘴方向凸出的环形凸缘，所述燃烧室凹坑的底部包括向上凸起的回转形的中央凸起以及环绕所述中央凸起的周向的环形凹坑，所述中央凸起的外周直径在沿向上凸起的方向上逐渐变小，所述中央凸起的外周面包括由所述燃烧室的底部至所述中央凸起的顶部依次相接的第一导流周面、导流台阶面和第二导流周面，所述燃烧室适用于具有预设涡流比的进气道，所述预设涡流比≥1。
7.优选地，经过凹坑中心线的平面为燃烧室纵向对称面，所述燃烧室凹坑与所述燃烧室纵向对称面的交线包括：与所述环形凹坑对应的环形凹坑型线、与所述第一导流周面对应的第一导流型线、与所述导流台阶面对应的导流台阶型线、与所述第二导流周面对应的第二导流型线，其中，所述环形凹坑型线与所述第一导流型线平滑相接，和/或，所述第一导流型线与所述导流台阶型线平滑相接，和/或，所述导流台阶型线与所述第二导流型线平
滑相接。
8.优选地，所述导流台阶型线为与活塞上顶面平行的直线段，所述第一导流型线和所述第二导流型线均为相对所述凹坑中心线倾斜的直线段。
9.优选地，所述导流台阶型线的长度为活塞直径的2%~4%，和/或，所述燃烧室凹坑的深度为所述导流台阶型线与所述活塞上顶面的距离的1.2~1.6倍。
10.优选地，所述第一导流型线与所述凹坑中心线的夹角为第一导流夹角a，所述第二导流型线与所述凹坑中心线的夹角为第二导流夹角b，所述第一导流夹角a与所述第二导流夹角b的关系为：15
°
＞（b－a）＞10
°
。
11.优选地，所述第一导流型线通过第一过渡圆角与所述导流台阶型线相接，所述导流台阶型线通过第二过渡圆角与所述第二导流型线相接。
12.优选地，所述第一过渡圆角的半径为1~2mm，所述第二过渡圆角的半径为所述第一过渡圆角的半径的2~3.5倍。
13.优选地，所述环形凹坑型线为向下凹陷的圆弧曲线。
14.本发明提供的燃烧室，包括位于活塞的顶部的燃烧室凹坑，燃烧室凹坑的周向壁面设有朝向喷油嘴方向凸出的环形凸缘，燃烧室凹坑的底部包括向上凸起的回转形的中央凸起以及环绕中央凸起的周向的环形凹坑，中央凸起的外周直径在沿向上凸起的方向上逐渐变小，中央凸起的外周面包括由燃烧室的底部至中央凸起的顶部依次相接的第一导流周面、导流台阶面和第二导流周面。
15.本发明的工作原理如下：燃油经过高压油泵加压后以很高的压力通过喷油嘴喷射到燃烧室内部并形成油束，喷射到环形凸缘处的油束被分成上下两部分，进而与燃烧室内的空气混合形成高浓度的混合气。在环形凹坑底面的引导下，混合气继续向燃烧室凹坑中心部位运动，并且，在中央凸起的引导作用下，混合气沿中央凸起的表面继续向上运动。混合气流经第一导流周面与导流台阶面的连接处时产生流动分离，高浓度的混合气被抛射到燃烧室凹坑的上方空间，形成二次射流。同时，由于活塞上行时压缩缸内空气，使得燃烧室内的一部分空气由燃烧室中心沿第二导流周面向底部的环形凹坑方向流动，而这部分气流与抛射到燃烧室凹坑上方区域的二次射流对冲，从而在靠近燃烧室中心的第二导流周面形成一层空气隔层。当混合气燃烧形成高温气流时，上述空气隔层可以将中央凸起的表面与高温气流锋面隔开，从而减少了高温燃气在中央凸起的表面附着燃烧，进而降低了缸内的传热损失，提升发动机的热效率，降低发动机油耗。
16.本发明还提供了一种包括上述燃烧室的柴油发动机。该柴油发动机产生的有益效果的推导过程与上述燃烧室带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为现有技术中的燃烧室结构示意图；
图2为本发明具体实施例中的燃烧室的结构示意图；图3为本发明具体实施例中的燃烧室凹坑的位置尺寸示意图；图4为本发明具体实施例中的油束流向及空气隔层示意图；图5为本发明具体实施例中的混合气和空气的流动示意图；图6为现有技术中无空气隔层的燃烧室的燃烧放热示意图；图7为本发明具体实施例中的有空气隔层的燃烧室的燃烧放热示意图。
19.图1至图7中的各项附图标记的含义如下：01-中央凸起结构、02-环形凸缘结构、03-圆滑过渡面、04-活塞上顶面；1-环形凹坑型线、2-第一导流型线、3-导流台阶型线、4-第二导流型线、5-中央凸起、6-环形凹坑、7-环形凸缘、8-活塞上顶面、9-凹坑中心线、100-油束、200-空气隔层、300-空气、400-混合气、500-高温接触面、600-高温气流。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.请参照图2至图7，本发明提供了一种燃烧室，包括位于活塞的顶部的燃烧室凹坑，燃烧室凹坑的周向壁面设有朝向喷油嘴方向凸出的环形凸缘7，燃烧室凹坑的底部包括向上凸起的回转形的中央凸起5以及环绕中央凸起5的周向的环形凹坑6，中央凸起5的外周直径在沿向上凸起的方向上逐渐变小，如图2所示，本发明的燃烧室凹坑的整体形成ω型的燃烧室凹坑结构，中央凸起5的外周面包括由燃烧室的底部至中央凸起5的顶部依次相接的第一导流周面、导流台阶面和第二导流周面，燃烧室适用于具有预设涡流比的进气道，预设涡流比≥1。
22.如图2所示，经过凹坑中心线9的平面为燃烧室纵向对称面，燃烧室凹坑与燃烧室纵向对称面的交线包括：与环形凹坑6对应的环形凹坑型线1（即环形凹坑6与燃烧室纵向对称面的交线）、与第一导流周面对应的第一导流型线2（即第一导流周面与燃烧室纵向对称面的交线）、与导流台阶面对应的导流台阶型线3（即导流台阶面与燃烧室纵向对称面的交线）、与第二导流周面对应的第二导流型线4（即第二导流周面与燃烧室纵向对称面的交线），其中，环形凹坑型线1与第一导流型线2平滑相接，和/或，第一导流型线2与导流台阶型线3平滑相接，和/或，导流台阶型线3与第二导流型线4平滑相接。另外，环形凸缘7与燃烧室纵向对称面的交线为环形凸缘型线，环形凹坑型线1优选设计为与环形凸缘型线的下端平滑相接。本方案通过将各个导流面平滑相接，可以进一步减小导流面相接处对气流的阻碍作用，从而使油气混合气保持较高的能量，有助于燃烧火焰的快速传播，进而有利于提高发动机的热效率。
23.需要说明的是，本发明中的第一导流型线2、导流台阶型线3以及第二导流型线4均可以设计为直线段或弧线段，也可以设计为直线段和弧线段的组合，相应的，第一导流周面和第二导流周面可以设计为母线为直线或弧线的回转形锥面结构，导流台阶面可以设计为环绕于中央凸起5的外周的环形面结构。在一种优选方案中，导流台阶型线3为与活塞上顶
面8平行的直线段，相应的，导流台阶面为环绕于中央凸起5外周的环形平面，第一导流型线2和第二导流型线3均为相对凹坑中心线9倾斜的直线段，相应的，第一导流周面和第二导流周面均为以凹坑中心线9为中心线的圆锥面。
24.本发明对导流台阶面的位置和尺寸设计如下，如图3所示，导流台阶型线3的长度w为活塞直径的2%~4%，和/或，燃烧室凹坑的深度h为导流台阶型线3与活塞上顶面8的距离h1的1.2~1.6倍，即，h＝（1.2~1.6）h1。其中，导流台阶面与第二导流周面形成了环绕中央凸起5外周的楔形凹槽结构，在活塞上行并压缩燃烧室内的空气时，该楔形凹槽结构用于形成空气隔层200，为了得到有效的空气隔层200，楔形凹槽的底部宽度（即图3中导流台阶型线3的长度w）需要设计得尽量大，但是，楔形凹槽底部如果过宽，则会对燃烧的压缩比产生不利影响，对于缸径≤150mm的发动机活塞，本方案中将导流台阶型线3的长度w一般设计为活塞直径的2%~4%，即，本方案中的导流台阶型线3的长度w＝（2%~4%）
×
150mm＝（3~6）mm，另外，对于缸径小于80mm的活塞，由于燃烧室空间及压缩比的限制，楔形凹槽底部宽度比较小，本方案虽然能够在此处形成空气隔层200，但是由于空间较小，空气隔层200的隔热效果相对来说不是特别显著。
25.优选地，如图3所示，第一导流型线2与凹坑中心线9的夹角为第一导流夹角a，第二导流型线4与凹坑中心线9的夹角为第二导流夹角b，第一导流夹角a与第二导流夹角b的关系为：15
°
＞（b－a）＞10
°
。如此设置，第一导流周面与导流台阶面的相接处就可以使混合气产生更加明显的流动分离效果，当环形凹坑6底部的混合气沿中央凸起5的表面向上运动时，由于第一导流夹角a比第二导流夹角b更小，因此，第一导流周面可以将这部分混合气向远离第二导流周面的区域进行导流，从而便于燃烧室中心部位的空气进入到楔形凹槽内并在第二导流周面和导流台阶面的位置形成空气隔层200。
26.优选地，第一导流型线2通过第一过渡圆角与导流台阶型线3相接，导流台阶型线3通过第二过渡圆角与第二导流型线4相接，即，第一导流周面与导流台阶面之间以及导流台阶面与第二导流周面之间设置有圆角，本方案通过将各个导流面的相接处设置为圆角过渡连接，可以避免连接处发生应力集中以及热量集中，其中，第一导流周面与导流台阶面之间的第一过渡圆角的半径需要设计得尽可能小，以增强对混合气的流动分离效果，优选地，如图3所示，本方案中的第一过渡圆角的半径r1为1~2mm，第二过渡圆角的半径r2为第一过渡圆角的半径r1的2~3.5倍，即，r2＝（2~3.5）r1。
27.需要说明的是，环形凹坑6作为燃烧室凹坑底部的主要导流凹坑部分，当油束100经环形凸缘7分隔成上下两部分后，向下运动的油束部分的运动方向则受到环形凹坑6的引导，为了使这部分油束保持较高的能量，优选地，本方案将环形凹坑型线1设计为向下凹陷的圆弧曲线，如图4和图5所示，如此设置，向下运动的油束就会沿着环形凹坑6的圆弧面继续向上以及向燃烧室中心方向运动，这样便有利于将油束顺利地导向第一导流周面。
28.请参照图4和图5，由于喷射到燃烧室内的油束100具有很高的能量，因此，当油束100经环形凸缘7分隔成上下两部分之后，油束100能够保持较高能量并进一步与燃烧室凹坑内的空气混合，从而形成高浓度的混合气400，此时，混合气400会受到燃烧室内大尺度的空气流动的影响，具体的，在进气过程中，由进气道进入燃烧室内的空气会保持一种大尺度流动形式，例如大尺度涡流或滚流运动，或者多种大尺度流动形式的组合运动，在压缩过程中，随着活塞上行并挤压燃烧室空间，根据不同的空气流动形式，这种大尺度空气流动形式
会被破坏或者被进一步加强，而本方案需要在压缩过程中将环形凹坑6底部的混合气400沿中央凸起5的表面向上引导流动，因此，燃烧室内的空气流动形式需要在环形凹坑6内形成局部的涡流运动，且该涡流运动的旋转方向应该为由环形凹坑6的底部沿第一导流周面向中央凸起5的上方的流动方向（如图5中环形凹坑6内的弧形箭头所示的顺时针方向），这样便能够利用涡流空气的能量带动混合气400进一步在导流台阶面处形成二次射流，第一导流周面即为引导混合气400形成二次射流的射流引导面。随着活塞上行，燃烧室凹坑上方中心部位的空气300会沿着远离凹坑中心线9的方向向四周运动，同时沿着第二导流周面向下运动，从而可以使空气300在楔形凹槽内形成空气隔层200，在点燃后，就可以将中央凸起5的表面与高温燃气隔开，避免高温燃气在中央凸起5表面附着燃烧，减少缸内的热量损失，提升发动机效率。
29.可见，进气道在缸内形成的进气流动形式对本方案空气隔层200的形成也有关系，通过试验发现，本发明的燃烧室适用于具有中高强度涡流比的进气道，且进气道的预设涡流比≥1，如此设计，在进气过程中，进气会在燃烧室内形成一定强度的涡流，在活塞上行并对缸内空气进行压缩时，在上止点附近会进一步加强缸内涡流，使得缸内空气在环形凹坑6底部可以形成向上以及向燃烧室中心方向的混合气流动，如图5所示。
30.下面结合图4至图7介绍本发明的工作原理：燃油经过高压油泵加压后以很高的压力通过喷油嘴喷射到燃烧室内部并形成油束100，喷射到环形凸缘7处的油束100被分成上下两部分（如图4所示），进而与燃烧室内的空气混合形成高浓度的混合气400。在环形凹坑6底面的引导下，混合气400继续向燃烧室凹坑中心部位运动，并且，在中央凸起5的引导作用下，混合气400沿中央凸起5的表面继续向上运动。混合气400流经第一导流周面与导流台阶面的连接处时产生流动分离，高浓度的混合气400被抛射到燃烧室凹坑的上方空间，形成二次射流。同时，由于活塞上行时压缩缸内空气，使得燃烧室内的一部分空气300由燃烧室中心沿第二导流周面向底部的环形凹坑6方向流动，而这部分气流与抛射到燃烧室凹坑上方区域的二次射流对冲，从而在靠近燃烧室中心的第二导流周面形成一层空气隔层200。当混合气燃烧形成高温气流600时，上述空气隔层200可以将中央凸起5的表面与高温气流600锋面隔开，从而减少了高温燃气在中央凸起5的表面附着燃烧，进而降低了缸内的传热损失，提升发动机的热效率，降低发动机油耗。
31.由图6可见，对于现有技术中的没有在中央凸起表面设置楔形凹槽结构的燃烧室来说，高温气流600直接与中央凸起的表面接触，接触部位即为图6中的高温接触面500，这部分接触会造成缸内传热损失增大。由图7可见，本发明中在楔形凹槽位置形成了空气隔层200，从而可以将高温气流600与中央凸起表面分隔开，减少了缸内传热损失，有利于提升发动机热效率，进而降低发动机油耗。
32.本发明还提供了一种包括上述燃烧室的柴油发动机。该柴油发动机产生的有益效果的推导过程与上述燃烧室带来的有益效果的推导过程大体类似，故本文不再赘述。
33.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种燃烧室，包括位于活塞的顶部的燃烧室凹坑，所述燃烧室凹坑的周向壁面设有朝向喷油嘴方向凸出的环形凸缘，所述燃烧室凹坑的底部包括向上凸起的回转形的中央凸起以及环绕所述中央凸起的周向的环形凹坑，所述中央凸起的外周直径在沿向上凸起的方向上逐渐变小，其特征在于，所述中央凸起的外周面包括由所述燃烧室的底部至所述中央凸起的顶部依次相接的第一导流周面、导流台阶面和第二导流周面，所述燃烧室适用于具有预设涡流比的进气道，所述预设涡流比≥1。2.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，经过凹坑中心线的平面为燃烧室纵向对称面，所述燃烧室凹坑与所述燃烧室纵向对称面的交线包括：与所述环形凹坑对应的环形凹坑型线、与所述第一导流周面对应的第一导流型线、与所述导流台阶面对应的导流台阶型线、与所述第二导流周面对应的第二导流型线，其中，所述环形凹坑型线与所述第一导流型线平滑相接，和/或，所述第一导流型线与所述导流台阶型线平滑相接，和/或，所述导流台阶型线与所述第二导流型线平滑相接。3.根据权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，所述导流台阶型线为与活塞上顶面平行的直线段，所述第一导流型线和所述第二导流型线均为相对所述凹坑中心线倾斜的直线段。4.根据权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，所述导流台阶型线的长度为活塞直径的2%~4%，和/或，所述燃烧室凹坑的深度为所述导流台阶型线与所述活塞上顶面的距离的1.2~1.6倍。5.根据权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，所述第一导流型线与所述凹坑中心线的夹角为第一导流夹角a，所述第二导流型线与所述凹坑中心线的夹角为第二导流夹角b，所述第一导流夹角a与所述第二导流夹角b的关系为：15
°
＞（b－a）＞10
°
。6.根据权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，所述第一导流型线通过第一过渡圆角与所述导流台阶型线相接，所述导流台阶型线通过第二过渡圆角与所述第二导流型线相接。7.根据权利要求6所述的燃烧室，其特征在于，所述第一过渡圆角的半径为1~2mm，所述第二过渡圆角的半径为所述第一过渡圆角的半径的2~3.5倍。8.根据权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，所述环形凹坑型线为向下凹陷的圆弧曲线。9.一种柴油发动机，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的燃烧室。

技术总结
本发明公开了一种燃烧室与一种柴油发动机，该燃烧室包括位于活塞的顶部的燃烧室凹坑，燃烧室凹坑的周向壁面设有朝向喷油嘴方向凸出的环形凸缘，燃烧室凹坑的底部包括向上凸起的回转形的中央凸起以及环绕中央凸起的周向的环形凹坑，中央凸起的外周直径在沿向上凸起的方向上逐渐变小，中央凸起的外周面包括由燃烧室的底部至中央凸起的顶部依次相接的第一导流周面、导流台阶面和第二导流周面。本方案通过在中央凸起的外周设计导流周面与导流台阶面，使得混合气形成二次射流，并在中央凸起表面形成空气隔层，从而减少了高温燃气在中央凸起表面附着燃烧，降低了缸内的传热损失，提升发动机的热效率，降低发动机油耗。降低发动机油耗。降低发动机油耗。


技术研发人员：崔京朋 窦站成 李小燕 王新校
受保护的技术使用者：潍柴动力股份有限公司
技术研发日：2022.04.22
技术公布日：2022/5/25