专利名称：直接喷射式柴油机的燃烧室的形状的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种直接喷射式柴油机的燃烧室的形状。
背景技术：
在这种类型的柴油机中，已经年复一年根据最近对环境问题的日益关注而施加了严格的排放控制。尤其是要求降低在废气中包含的有害物质NOx和微粒物质(此后简称为“PM”)。
但是，NOx往往在完全燃烧状态下产生，相反，PM往往在不完全燃烧状态下产生。因此，NOx和PM具有平衡关系即，一个的排放量减小而另一个的排放量增加。结果，同时减少NOx和PM两者的排放量是柴油机领域要解决的重要问题。
通常采用的降低NOx的方法的实例包括用于将吸气系统中的一部分废气循环的EGR(废气再循环的简称)、燃油喷射定时的延迟等等。
活塞上部形成的燃烧室的形状显著地影响PM的增加，如下文所述。
例如，专利文献1揭示了一种直接喷射式柴油机，其中在活塞上部形成凹进的燃烧室。如图10所示，燃烧室101通过在底部中心处包括锥形中心突起部102和环绕中心突起部102形成基本上弓形形状(从横截面看)的环形凹槽103。燃烧室101的开口104形成圆形。在开口104处形成以使形成的开口面积变窄的方式向内部周界突出的唇部105。燃油朝向燃烧室101径向喷射，到那时与燃烧室101内的空气混合，随后燃烧。
在膨胀冲程燃烧室101内产生的火焰或混合物空气从燃烧室101流到主室106。这时，如果燃烧室的开口形成圆形，火焰或混合物空气沿周界方向均匀流动，由此减弱了火焰或混合物空气从燃烧室101到主室106的流动。此外，允许从然后喷射喷嘴喷出的燃油沿周界方向在燃烧室101内涡旋，同时与燃烧室101内的空气混合。这里，由于在膨胀冲程燃烧室101外的流动很弱，火焰或未燃烧混合物空气沿周界方向在燃烧室101内流动，由此延长了燃烧室101内的停留时间。结果，不能增进尤其是主室106内燃油和空气的混合物，且因此，延迟阶段的燃烧不能适当地进行。
在上述情况下，即使为了降低NOx而延迟燃油喷射定时，延迟极限不能延长，因为很可能由于不完全燃烧而增加黑烟的量。此外，甚至在高ERG率下空气利用率甚至变低，且因此，燃烧速度变低，导致黑烟量增加。
现有技术文献由已公开的日本专利申请(JP-A)No.2001-221050示例。
发明内容
本发明已经实现了解决现有技术经历的上述问题。因此，本发明的目的是提供一种直接喷射式柴油机的燃烧室形状，其中通过优化设计燃烧室的形状增进了尤其是膨胀冲程的混合，且此外，可通过改进延迟极限和在高EGR下加速燃烧而实现了降低PM和降低NOx之间的兼容性。
根据本发明的第一方面，在直接喷射式柴油机的燃烧室的形状中，其中在活塞顶部形成凹进的燃烧室，燃油喷射进入燃烧室，且此外，允许燃油和空气的混合空气燃烧，燃烧室内部形成在沿活塞滑动方向的轴线上的基本上回转件的形状，以及燃烧室上部端的开口由各圆角部分和各直线部分形成基本上多边形形状。
根据本发明的第二方面，在由第一方面限定的以上直接喷射式柴油机的燃烧室的形状中，燃烧室上部端的开口形成基本上六边形。
根据本发明的第三方面，在由第一方面限定的以上直接喷射式柴油机的燃烧室的形状中，燃烧室内部的中心轴线与上部端开口的中心轴线对齐。
根据本发明的第四方面，在由第一方面限定的以上直接喷射式柴油机燃烧室的形状中，燃烧室上部端开口处的圆角部分的半径R和活塞的直径D满足这样的关系0.04＜R/D＜0.12。
根据本发明的第五方面，在由第一方面限定的以上直接喷射式柴油机燃烧室的形状中，燃烧室的内壁包括以角a从活塞的上部表面向下延伸的上部周界壁；以角b相对于活塞的上部表面从上部周界壁的下部端径向向外向下延伸的中间周界壁；以及以角c相对于活塞的上部表面从中间周界壁的下部端径向向外向下延伸的下部周界壁；其中各角分别设置如下a＝90°；65°＜b＜75°；且40°＜c＜55°。
根据本发明的第六方面，在由第一方面限定的以上直接喷射式柴油机的燃烧室的形状中，燃烧室的整个深度H和从中间周界壁和下部周界壁之间的边界到燃烧室的底部端的深度h′满足这样的关系0.65＜h′/H＜0.75，根据本发明的第五方面。
根据本发明的第七方面，在由第一方面限定的以上直接喷射式柴油机的燃烧室的形状中，在燃烧室上部端的开口处彼此面对的所述直线部分之间的距离L、燃烧室的最大直径d′、以及活塞的直径D满足这样的关系0.4＜L/D＜0.55且0.05＜(d′-L)/D。
根据本发明的第八方面，在由第一方面限定的以上直接喷射式柴油机的燃烧室的形状中，在燃烧室的底部中心形成中心突起部，且此外，在外围边缘和中心突起部的顶壁的脚部端之间的外围部分形成沿径向向外伸展的伸展部分。
本发明的优点根据本发明的第一方面，停留在燃烧室内的火焰或混合空气在膨胀冲程主要从多边形开口的每个圆角部分强烈地流入主室，由此增进主室内空气和燃油的混合。于是，在膨胀冲程提高了空气利用率，且此外，可增加燃烧速度。因此，即使采取了降低NOx的方法，例如延迟喷射定时或增加EGR率，可降低PM。
根据本发明的第二方面，燃烧室开口处的圆角部分的角，即相对于邻近直线部分的角变成最优，由此在膨胀冲程有利地形成主要从圆角部分的强烈流动。
根据本发明的第三方面，从燃烧室流入主室的火焰或混合空气流动均匀地来自开口处的每个圆角部分。于是，可增加主室内的空气利用率，并此外，增进混合。
根据本发明的第四方面，燃烧室开口处圆角部分的角变得最优，由此有利地在膨胀冲程形成主要来自圆角部分的强烈流动。
根据本发明的第五方面，燃烧室周界壁的形状可允许将涡流保持在燃烧室内部，且此外，在膨胀冲程喷射的强烈流动主要来自圆角部分。尤其是，在中间周界壁和下部周界壁之间的边界附近产生强烈流动扰动，由此产生通向主室的强烈的反向压挤气流。因此，有可能更加增进主室内的混合。
根据本发明的第六方面，适当地设置中间周界壁和下部周界壁中间的边界位置，由此有利地保持燃烧室内部的涡流并在膨胀冲程产生强烈的反向压挤气流。
根据本发明的第七方面，适当地设置燃烧室的开口对活塞直径的开口比值(L/D)和在开口处相对于燃烧室最大直径的悬垂量对活塞直径的比值((d′-L)/D)，由此将涡流保持在燃烧室内，并在膨胀冲程获得强烈的反向压挤气流和来自开口的每个圆角部分形成强烈的流动。
根据本发明的第八方面，伸展部分可将混合物空气从燃烧室底部引导到燃烧室上部的流动区域，由此增进混合。
这里，根据本发明的第一至第四和第八方面，PM的大部分石墨可减少相反，根据本发明的第五至第七方面，碳氢化合物可附加地减少。
图1是示出应用本发明的直接喷射式柴油机中活塞顶部的平面图。
图2是示出了活塞顶部燃烧室的横截面图。
图3是示出了放大的燃烧室一半的竖直剖视图。
图4是示出了优选实施例中燃烧室内燃油或混合物空气流动的视图。
图5是示出比较实例中燃油或混合物空气流动的视图。
图6是根据本发明和现有技术(其中开口形成圆形)显示产生的扭矩和PM值之间关系的图表。
图7是示出了燃烧室开口处直线部分数量(圆角部分的数量)与PM直之间关系的图表。
图8是示出了R/D和PM值之间关系的图表。
图9是示出了燃烧室最大直径d′与彼此面对的直线部分之间的距离L的差，即在唇部的最大悬垂量(d′-L)与活塞直径D的比值和PM值之间关系的图表。
图10是示出了现有技术活塞顶部形成的燃烧室的剖视图。
具体实施例方式
燃烧室形状图1是示出应用本发明的直接喷射式柴油机中活塞顶部的平面图；且图2是示出了活塞顶部燃烧室的横截面图。如图1和2所示，活塞11安装在汽缸的汽缸套10内，在活塞11的顶部形成凹进的燃烧室12(即，空腔)，且燃烧室12的上部用汽缸盖13的下表面封闭。其喷射部分中心位于汽缸中心线(即活塞中心轴线)O1的燃油喷射阀14固定到汽缸盖13上。结果，燃油喷射阀14适于朝向燃烧室12内圆锥形地喷射燃油。喷射进入燃烧室12的燃油与燃烧室12内的吸入空气混合，且然后，产生的混合空气在燃烧室12内燃烧。
在燃烧室12内，基本上截锥形中心突起部17形成在底部中心。环绕中心突起部17形成环形凹槽。唇部19在燃烧室12的上部端的开口18处突出，以减小开口18的面积。燃烧室12的内部(即，内部形状)形成与活塞中心轴线O1对齐的轴线O2上回转件的形状，且穿过轴线O2的燃烧室12的竖直截面形状相对于该轴线对称。
如图1所示，燃烧室12的开口18由圆角部分21和直线部分22联合形成基本上多边形形状。本实施例中的开口18由六个圆角部分21和六个直线部分22联合形成基本上规则的六边形，其大小在燃烧室12的最大直径d′范围内。开口18的中心轴线与燃烧室内中心轴线O2一致。
圆角部分21的半径R和活塞11的直径D设计成满足这样的关系0.04＜R/D＜0.12。此外，在开口18处彼此面对的直线部分22之间的距离L和活塞11的直径D设计成满足这样的关系0.04＜L/D＜0.55。此外，燃烧室12的最大直径d′、距离L和活塞11的最大直径D设计成满足这样的关系0.05＜(d′-L)/D。
图3是示出了放大的燃烧室12一半的竖直剖视图。燃烧室12的内表面由周界壁24至27，以及中心突起部17的周界壁30a和30B以及顶壁29组成。周界壁24至27明确示出上部周界壁24以相对于活塞顶面11a的角a从活塞11的顶面11a向下直着延伸，中间周界壁25以相对于活塞顶面11a的角b从周界壁24的下部端沿径向向外向下直着延伸，下部周界壁26以相对于活塞顶面11a的角c从周界壁25的下部端沿径向向外向下直着延伸，以及凹进的弓形底部周界壁27从下部周界壁26的下部端朝向燃烧室12的底部连续延伸到中心突起部17的周界壁30a。
前述角a、b和c相应地设置如下a＝90°；65°＜b＜75°；且40°＜c＜55°。上部周界壁24和中间周界壁25之间的边界Q1以及中间周界壁25和下部周界壁26之间的另一边界Q2弯曲。相反，下部周界壁26光滑地延续到底部周界壁27，且此外，底部周界壁27光滑地延续到中心突起部的周界壁30a。
相对于燃烧室12的整个深度H，从中间周界壁25和下部周界壁26之间的边界Q2到燃烧室12底部的深度h′设计成满足这样的关系0.65＜h′/H＜0.75。
中心突起部17的顶壁29形成垂直于轴线O2的平坦表面。径向向外伸展的伸展部分30形成在顶壁29的外围边缘29a和底部周界壁27的径向内部端(即，中心突起部17的脚部端)Q3之间。伸展部分30从将中心突起部的底部周界壁27和顶壁29的外围边缘29a彼此连接的外围壁(用虚线表示)31以三角形延伸。定点P1位于顶壁29下方。从定点P1朝向底部周界壁27延伸的壁30a和从定点P1朝向中心突起部顶壁29的外围边缘29a延伸的壁30b是直的，其中壁30b比壁30a短。伸展部分30的伸展量设计成使得要从燃油喷射阀14喷射的燃油F(见图2)不直接毗邻抵靠伸展部分30。
附带地，伸展部分30形成在中心突起部17的整个高度上方，使得外部表面30a和30b基本上组成中心体突起部17的外围壁。此外，如图3所示，由燃烧室12的中心突起部17和周界壁24至26之间的壁表面限定的空间在伸展部分30的定点P1和边界Q1之间稍窄，然后向下向上变宽。
燃烧室开口形状的功能和效果(1)如图1所示，燃烧室12的开口18形成六边形。结果，燃烧室12内部产生的火焰和混合物空气适于从开口18的圆角部分21密集地喷射到主室(即，活塞顶部表面11a和汽缸盖下部表面13之间限定的空间)15内。因此，可在每个圆角部分21处产生强烈的流动，且与圆形开口18的情况相比，易于扰动局部流动。因此，可在膨胀冲程在主室15内增进混合，由此增加燃烧速度。于是，有可能改进延迟阶段的燃烧，以降低PM，且尤其降低烟和煤烟的浓度。
图6是根据本发明(实施例)和现有技术(其中开口形成圆形)显示产生的扭矩和PM值之间关系的图表。与现有技术相比在本实施例中，发现PM值显著地降低，尤其是在高负载时，且此外，在100％扭矩下PM值可降低现有技术的约40％。
(2)由于燃烧室12的开口18的中心轴线与燃烧室12内部的中心轴线O2一致，所以从每个圆角部分21到主室15的流动变得基本上均匀，由此增加停留在主室15中空气的利用率，以增进混合。于是，可以上述方式降低PM(即，可降低烟和煤烟的浓度)。
(3)图7是示出了燃烧室开口18处直线部分22数量(圆角部分21的数量)与PM直之间关系的图表。从图7所示图表中明显看出，PM值在开口像本实施例那样形成六边形的情况下降低最多。这时因为相邻直线部分22之间形成的角度随着多边形角的数量(即，圆角部分21的数量)的增加而变大，由此减弱了火焰或混合空气从燃烧室12朝向主室15的流动，产生与现有技术圆形开口基本相同的效果。相反，相邻直线部分22之间形成的角随着多边形圆角部分21数量的减小而变得非常的小，由此降低火焰等从燃烧室12朝向主室15的通道面积，以增加保持在燃烧室12内火焰等，使得主室15内的混合不可能增进。
(4)图8是示出了燃烧室开口18的圆角部分21的半径R与活塞的直径D之比(R/D)和PM值之间关系的图表。在图8中，如果比值R/D小于0.04，换言之，如果圆角部分21的半径R相对小于活塞的直径D，火焰或混合空气从燃烧室12朝向主室15的通道面积变小，由此增加了保留在燃烧腔12内的火焰等，使得有可能增进主室15内的混合。相反，如果比值R/D大于0.12，换言之，如果圆角部分21的半径相对较大，从燃烧室12朝向主室15的流动也被分散到直线部分22，由此减弱了来自圆角部分21的流动，使得有可能增进混合。考虑到这一点，在本实施例中建立0.04＜R/D＜0.12的关系。于是，PM值可满意地降低。
附带地，在图8中，当比值R/D在约0.07至约0.08范围时，PM值降低最多。
燃烧室内部形状的功能和效果(1)图4是示出了本实施例中燃烧室内燃油或混合空气流动的视图；且图5是示出比较实例中燃油或混合空气流动的视图。在图5中中间和下部周界壁一体化成一个直周界壁，且此外，在中心突起部17形成非伸展部分。
在图5中所示的比较实例中，流入燃烧室12的混合物空气等(N1)与周界壁32碰撞，且然后在沿着底部周界壁27的弓形形状弯曲之后分成沿着中心突起部17的周界壁31朝向轴线O2的流动N2，以及沿着周界壁32(即，唇部19的内表面)的流动N3。此外，后者流动N3分成作为反向压挤气流超出唇部19的流动N4和循环再进入燃烧室12的流动N5。
相反，在图4所示的本发明中，如上所述，图3所示的角a、b和c相应地设置如下a＝90°65°＜b＜75°；且40°＜c＜55°。流入燃烧室12的混合空气(N1)与周界壁(下部周界壁26或底部周界壁27)碰撞，并然后在沿着底部周界壁27的弓形形状弯曲之后分成沿着中心突起部17的周界壁30a(即，伸展部分30)的流动N2，以及沿着中间周界壁25和上部周界壁24的流动N3(即，沿唇部19内表面的流动)。由于伸展部分30的存在，中心突起部17侧的流动N2引导向上而不是如图5所示实例那样，且然后，流动N2不仅流向轴线O2而且在唇部19侧引入燃烧室12内的上部区域，这里的流动更强。因此，有可能在膨胀冲程增进主室15内的混合。
同时，后者流动N3分成作为反向压挤气流的超出唇部19的向燃烧室12外的流动N4和循环再进入燃烧室12的流动N5。这里，由于中间周界壁25和下部周界壁26之间的边界Q2是弯曲的，更强地形成反向压挤气流，且此外，流动往往分布在弯曲点Q附近。
因此，在本实施例中有可能在膨胀冲程获得强的反向压挤气流，且此外，有可能将涡流S(见图2)保持在燃烧室12内，并从开口18的圆角部分21朝向主室15强烈地喷射燃油，由此增进主室15内的混合。
(2)从弯曲点Q2到底部的深度h′和燃烧室的整个深度H建立这样的关系0.65＜h′/H＜0.75。这样，有可能保持涡流S，以如上所述在膨胀冲程获得强烈的反向压挤气流，由此增进燃油和空气的混合。这里，弯曲点Q2位于喷射燃油抵达的位置上方。
(3)图9是示出了燃烧室12最大直径d′与彼此面对的直线部分22之间的距离L的差，即在唇部19的最大悬垂量(d′-L)与活塞直径D的比值和PM值之间关系的图表。
在该实施例中，比值((d′-L)/D)如上所述设成大于0.05。因此，从图9所示图表中明显看出，PM值满意地降低了。换言之，通过将最大悬垂量设置在某一水平以上，且此外，涡流可保持在燃烧室12内。于是，可在膨胀冲程从开口18的每个圆角部分喷射强烈和密集的流动，且因此，可增进混合。
(4)如图2所示，由于中心突起部17形成在燃烧室12内部，与没有中心突起部17的情况相比，具有诸如涡流或压挤气流的大气流的环形凹槽区域可以燃烧室12的预定量扩大。
其它实施例本发明并不限于上述实施例，且在设计中可适当地修改。例如，燃烧室12的开口18的中心轴线可从燃烧室内的中心轴线偏离。或者，开口18可形成多边形而不是六边形。
权利要求
1.一种直接喷射式柴油机的燃烧室的形状，其中在活塞顶部形成凹进的燃烧室，燃油喷射进入所述燃烧室，且此外，允许燃油和空气的混合空气燃烧其中，所述燃烧室内部形成为在沿活塞滑动方向的轴线上的基本上回转件的形状；以及所述燃烧室上部端的开口形成为由各圆角部分和各直线部分组合而成的基本上多边形的形状。
2.如权利要求1所述的直接喷射式柴油机的燃烧室的形状，其特征在于，所述燃烧室上部端的所述开口形成基本上六边形。
3.如权利要求1或2所述的直接喷射式柴油机的燃烧室的形状，其特征在于，所述燃烧室内部的中心轴线与所述上部端处的开口的中心轴线对齐。
4.如权利要求1至3中任一项所述的直接喷射式柴油机的燃烧室的形状，其特征在于，所述燃烧室上部端的开口处的圆角部分的半径R和所述活塞的直径D满足如下的关系0.04＜R/D＜0.12。
5.如权利要求1所述的直接喷射式柴油机的燃烧室的形状，其特征在于，所述燃烧室的内壁包括以角a从所述活塞的上部表面向下延伸的上部周界壁；以角b相对于所述活塞的上部表面从所述上部周界壁的下部端径向向外、向下延伸的中间周界壁；以及以角c相对于所述活塞的上部表面从所述中间周界壁的下部端径向向外、向下延伸的下部周界壁；以及所述各角分别设置如下a＝90°；65°＜b＜75°；且40°＜c＜55°。
6.如权利要求5所述的直接喷射式柴油机燃烧室的形状，其特征在于，所述燃烧室的整个深度H和从所述中间周界壁和所述下部周界壁之间的边界到所述燃烧室的底部端的深度h′满足这样的关系0.65＜h′/H＜0.75。
7.如权利要求1所述的直接喷射式柴油机的燃烧室的形状，其特征在于，在所述燃烧室上部端的所述开口处彼此面对的所述直线部分之间的距离L、所述燃烧室的最大直径d′、以及所述活塞的直径D满足这样的关系0.4＜L/D＜0.55且0.05＜(d′-L)/D。
8.如权利要求1所述的直接喷射式柴油机的燃烧室的形状，其特征在于，在所述燃烧室的底部中心处形成中心突起部，并且，在所述中心突起部的顶壁的外围边缘和脚部端之间的外围部分处形成沿径向向外伸展的伸展部分。
全文摘要
本发明涉及一种直接喷射式柴油机的燃烧室形状，其中通过优化设计燃烧室的形状增进了尤其是膨胀冲程的混合，且此外，可通过改进延迟极限和在高EGR下加速燃烧而实现了降低PM和降低NO
文档编号F02F3/26GK101040108SQ20058003536
公开日2007年9月19日 申请日期2005年9月29日 优先权日2004年10月14日
发明者汤崎启一朗, 藤井裕之 申请人:洋马株式会社