一种柴油机燃烧室的制作方法

本实用新型涉及柴油机技术领域，具体涉及一种柴油机燃烧室。

背景技术：

目前世界最严的加州重型柴油机排放法规，要求在碳烟排放与国ⅵ排放法规水平相当的前提下，氮氧化物排放降至国ⅵ排放法规的十分之一。而降低氮氧化物排放常常需要损失一定的柴油机热效率。此外，氮氧化物与碳烟生成均与缸内油气混合过程、燃烧过程等密切相关，受制于柴油机的燃烧特性，二者同时降低的难度较大，需要对缸内油气混合过程及燃烧过程合理而精确设计方可实现。

现有燃烧室设计均只考虑加速混合速率、增加空气利用率。缸内碳烟常在高温缺氧环境下生成，而氮氧化物在高温富氧状态下生成，现有燃烧室设计可以改善局部缺氧状态，从而降低碳烟生成，同时混合速率加快也有利于加快燃烧速率，获得较高的热效率。

但是，燃烧室内快速的油气混合会导致大量燃油蒸气同时燃烧，缸内温度、压力升高，而柴油机整体采用稀薄燃烧技术，富氧区域面积大，燃烧室又加速缸内的气流运动，会促进高温区与富氧区相互作用，导致氮氧化物生成。现有燃烧室降低氮氧化物的思路集中于进一步加速油气混合速率，通过形成相对均质且稀的混合气，降低最高燃烧温度，从而控制氮氧化物生成。然而，这种思路在重型柴油机中，或在大负荷下等需较大喷油量的条件下难以取得良好的控制氮氧化物的效果。

技术实现要素：

本实用新型实施例公开一种柴油机燃烧室，实现了在保持柴油机热效率不降低的同时，有效降低氮氧化物和碳烟排放的效果。

第一方面，本实用新型实施例公开了一种柴油机燃烧室，该燃烧室是以其中心线为对称轴的对称结构，该燃烧室包括中心平台、凹坑区、唇口、台阶区和活塞顶；其中，

所述中心平台位于所述燃烧室的中心；

所述凹坑区呈凹型，所述凹坑区的边界曲线位于燃烧室底部，且呈圆弧状，其一端与所述中心平台侧面向燃烧室底部延伸的平台侧面母线相衔接，另一端通过向燃烧室顶部延伸的导流线与所述唇口衔接；所述导流线为凹坑曲率圆与唇口曲率圆的公切线；

所述唇口位于所述活塞顶的下方，呈圆弧形凸出状；所述唇口通过台阶型的曲面与活塞顶面衔接，在所述台阶型的曲面上方形成所述台阶区；

其中，所述平台侧面母线与燃烧室径向外侧水平方向形成的内侧第一夹角、所述导流线与燃烧室径向外侧水平方向形成的第二夹角，以及所述活塞顶与所述台阶区底部曲线的末端切线在活塞顶上侧形成的第三夹角均是锐角；

所述燃烧室内油束的喷射角度是从所述燃烧室的喷油孔喷射出的油束与垂直方向的夹角；当活塞处于上止点时，从所述燃烧室的喷油孔喷射出的油束线与导流线的接触点，到导流线底端起点的连线长度与导流线总长度之比，在预设比例范围内。

可选的，所述第一夹角的范围为37°～42°。

可选的，所述第二夹角的范围为73°～80°。

可选的，所述第三夹角的范围为73°～85°。

可选的，过所述唇口的曲率圆圆心的水平线与左右两侧导流线分别形成的两个交点之间的距离，与燃烧室两侧开口末端之间的距离的比值范围为：0.74～0.78。

可选的，所述活塞顶到所述唇口的曲率圆圆心的垂直高度，与所述活塞顶到所述凹坑区的底部的垂直高度的比值范围为：0.43～0.47。

可选的，所述预设比例范围为：大于0.51，且小于0.88。

本实用新型实施例提供的技术方案，通过改变连接凹坑区的边界曲线与唇口的导流线的方向，即通过将导流线与燃烧室径向外侧水平方向形成的夹角设计为锐角，可在较大程度上实现高温区与富氧区的分离，即在缸内最高温度较高的燃烧初期，使高温区缺氧，富氧区与高温不接触，通过减少被高温包围的富氧区域面积，减少高温与富氧区的相互作用，抑制氮氧化物生成。此外，为了避免高温区缺氧使得燃烧初期碳烟生成增加的问题，本实用新型又通过设计台阶区曲线末端的斜率，可使混合气更多向气缸中心运动，加快燃烧后期碳烟的氧化，并能减少散热损失，从而弥补初期燃烧速率的降低，保证热效率不损失。故而本实用新型实施例提供的技术方案，可以在不损失热效率的前提下，同时降低氮氧化物和碳烟排放，且在较大喷油量时依然能保证抑制有害物生成的效果。另外，本实用新型实施例提供的技术方案，通过设计燃烧室轮廓与喷射角度实现上述技术效果，对已有发动机设计改动较小，不增加额外成本。

本实用新型的创新点包括：

1、通过将连接凹坑区的边界曲线与唇口的导流线与燃烧室径向外侧水平方向形成的夹角设计为锐角，可在较大程度上实现高温区与富氧区的分离，抑制氮氧化物生成，解决了在热效率不损失的条件下，难以降低氮氧化物和碳烟生成的问题，是本实用新型的创新点之一。

2、在现有技术的基础上，通过将活塞顶与台阶区底部曲线的末端切线在活塞顶上侧形成的夹角增大，可以使混合气更多向气缸中心运动，加快燃烧后期碳烟的氧化，并能减少散热损失，从而弥补初期燃烧速率的降低，解决了热效率损失的问题，可以在不损失热效率的前提下，同时降低氮氧化物和碳烟排放，且在较大喷油量时依然能保证抑制有害物生成的效果，是本实用新型的创新点之一。

3、通过将过唇口的曲率圆圆心的水平线与左右两侧导流线分别形成的两个交点之间的距离，与燃烧室两侧开口末端之间的距离之比的范围设置为0.74～0.78，并将活塞顶到唇口的曲率圆圆心的垂直高度，与活塞顶到凹坑区底部的垂直高度之比的范围设置为0.43～0.47，可以确保合理的凹坑区与台阶区体积比例，实现对燃烧室内空气的充分利用，是本实用新型的创新点之一。

4、通过设置燃烧室的喷油孔喷射出的油束与垂直方向的喷射角度，即当活塞处于上止点时，油束线与导流线的接触点到导流线底端起点的连线长度与导流线总长度之比在大于0.51，且小于0.88的范围内，可确保燃油喷雾经导流线的引导，能够以合理的比例分别流向凹坑区与台阶区，充分利用燃烧室内的空气，也充分发挥燃烧室各处轮廓的引导作用，从而降低碳烟排放，并减少传热损失，是本实用新型的创新点之一。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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。

图1是本实用新型实施例提供的一种柴油机燃烧室的结构示意图；

图2a是现有技术中的燃烧室缸内燃空当量比的情况示意图；

图2b是现有技术中的燃烧室缸内温度的情况示意图；

图2c是本实用新型实施例提供的燃烧室缸内燃空当量比的情况示意图；

图2d是本实用新型实施例提供的燃烧室缸内温度的情况示意图；

图2e是燃空当量比的色带图例；

图2f是温度的色带图例；

图3a是本实用新型实施例提供的燃烧室在28℃aatdc时缸内碳烟分布示意图；

图3b是现有技术中的燃烧室在28℃aatdc时缸内碳烟分布示意图；

图3c是本实用新型实施例提供的燃烧室在40℃aatdc时缸内碳烟分布示意图；

图3d是现有技术中的燃烧室在40℃aatdc时缸内碳烟分布示意图；

图3e是本实用新型实施例提供的燃烧室在70℃aatdc时缸内碳烟分布示意图；

图3f是现有技术中的燃烧室在70℃aatdc时缸内碳烟分布示意图；

图3g是碳烟质量分数的色带图例；

图4是本实用新型实施例提供的一种燃烧室喷射角度示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例一

请参阅图1，图1是本实用新型实施例提供的一种柴油机燃烧室的结构示意图。该燃烧室是以其中心线为对称轴的对称结构，可绕其中心线旋转一周形成。该燃烧室包括：中心平台1、凹坑区m、唇口5、台阶区n和活塞顶7；其中，

中心平台1位于燃烧室的中心位置；凹坑区m呈凹型，凹坑区的边界曲线3位于燃烧室底部，且呈圆弧状，是半径r1固定的曲率圆，其一端与中心平台侧面向燃烧室底部延伸的平台侧面母线2相衔接，另一端通过向燃烧室顶部延伸的导流线4与唇口5衔接；导流线4为凹坑曲率圆与唇口曲率圆的公切线，以a点为起点，b为终点。

唇口5位于活塞顶7的下方，呈圆弧形凸出状，为半径r2固定的曲率圆；唇口5通过台阶型的曲面与活塞顶面衔接，在台阶型的曲面上方形成台阶区n；

其中，平台侧面母线1与燃烧室径向外侧水平方向形成的内侧第一夹角θ1、导流线4与燃烧室径向外侧水平方向形成的第二夹角θ2，以及活塞顶与台阶区底部曲线的末端切线在活塞顶上侧形成的第三夹角θ3均是锐角。

示例性的，第一夹角的范围为37°～42°，第二夹角的范围为73°～80°。这样设计的原因如下，具体请参阅图2a～2f：

图2a是现有技术中的燃烧室缸内燃空当量比的情况示意图；图2b是现有技术中的燃烧室缸内温度的情况示意图；图2c是本实用新型实施例提供的燃烧室缸内燃空当量比的情况示意图；图2d是本实用新型实施例提供的燃烧室缸内温度的情况示意图；图2e是燃空当量比的色带图例；图2f是温度的色带图例。如图2a、2b、2e和2f所示，现有技术中的燃烧室高温浓混合气形成较强烈的卷流，包围较大面积的富氧区域，例如图2a中的圆圈部分a，其受卷流运动的作用，随燃烧过程的进行，被高温包围的富氧区域必然与高温区发生相对运动，从而促进氮氧化物生成。相比而言，如图2c、2d、2e和2f所示，本实用新型实施例提供的燃烧室被高温浓混合气包围的富氧区域面积较小，很大程度分隔了高温区与富氧区，使得在缸内温度较高的燃烧中前期，高温集中于浓区即贫氧区，而较少与富氧区相互作用，从而抑制氮氧化物生成。因此，需要抑制高温浓混合气沿凹坑壁面形成较高的卷流。这一过程是通过使导流线4向远离燃烧室中心轴线方向延展，同时适当增加平台侧面母线2的斜率实现的。考虑到热效率问题，油气混合速率下降幅度不能过大，因此导流线4又不能过分向外延伸，平台侧面母线2的斜率也不能过大。因此，本实用新型涉及的燃烧室形状，将导流线4与燃烧室径向外侧水平方向的夹角θ2设计为：73°≤θ2≤80°，平台侧面母线2与燃烧室径向外侧水平方向形成的内侧锐角θ1范围为：37°≤θ1≤42°。

优选的，平台侧面母线1与燃烧室径向外侧水平方向形成的内侧第一夹角θ1为39.2°导流线4与燃烧室径向外侧水平方向形成的第二夹角θ2为77.4°，这样设置，相对于现有技术的燃烧室而言，通过抑制高温浓混合气在沿凹坑区的边界曲线形成较高的卷流，减少被高温包围的富氧区域面积，从而抑制氮氧化物生成。

本实用新型实施例的柴油机燃烧室，为降低碳烟排放，及减少传热损失，确保热效率不降低的效果，是通过引导混合气向气缸中心运动，减少缸壁附近的燃烧和碳烟生成，促进燃烧后期的碳烟氧化实现的。具体可通过3a～3g来说明，图3a是本实用新型实施例提供的燃烧室在28℃aatdc时缸内碳烟分布示意图；图3b是现有技术中的燃烧室在28℃aatdc时缸内碳烟分布示意图；图3c是本实用新型实施例提供的燃烧室在40℃aatdc时缸内碳烟分布示意图；图3d是现有技术中的燃烧室在40℃aatdc时缸内碳烟分布示意图；图3e是本实用新型实施例提供的燃烧室在70℃aatdc时缸内碳烟分布示意图；图3f是现有技术中的燃烧室在70℃aatdc时缸内碳烟分布示意图；图3g是碳烟质量分数的色带图例。如图3a、3b、3c、3d和3g所示，由于燃烧前期高温区域缺氧，虽然在代表燃烧中间过程的28℃aatdc时刻和40℃aatdc时刻，本实用新型实施例提供的燃烧室碳烟生成高于现有技术燃烧室，但此时生成的碳烟尚未进入排气管，不能代表最终排入大气的碳烟。同时，由于本实用新型实施例提供的燃烧室引导混合气更多向气缸中心运动，碳烟生成也集中于气缸中心，因此燃烧后期可与氧气更充分接触，碳烟氧化速率更高，因此在代表实际进入大气的碳烟排放量的70℃aatdc时刻，如图3e、3f和3g所示，本实用新型实施例提供的燃烧室的碳烟质量低于现有技术中的典型燃烧室，说明本实用新型实施例提供的燃烧室最终通过排气管进入大气的碳烟质量低于现有技术中的典型燃烧室。同时，燃烧集中于气缸中心也有利于减少传热损失，提升热效率。

进一步的，为引导混合气向气缸中心运动和燃烧，需要适当提高活塞顶与台阶区底部曲线末端切线在活塞顶上侧形成的夹角θ3。本实用新型涉及的燃烧室形状要求活塞顶与台阶区底部曲线末端切线在活塞顶上侧形成的夹角θ3的范围为：73°≤θ3≤85°。

优选的，θ3为76.9°，这样设置的好处在于，可进一步引导混合气向气缸中心运动和燃烧，以加速碳烟后期氧化，从而降低碳烟排放量。

进一步的，如图1所示，本实用新型实施例所提供的燃烧室，d1为过唇口的曲率圆圆心的水平线与左右两侧导流线分别形成的两个交点之间的距离d1，d2为燃烧室两侧开口末端之间的距离，d1与d2之比的比值范围为：此外，如图1所示，h1为活塞顶到唇口的曲率圆圆心的垂直高度，h2为活塞顶到凹坑区底部的垂直高度，h1与h2之比的比值范围为：这样设计可以确保合理的凹坑区与台阶区体积比例，实现对燃烧室内空气的充分利用。

优选的，d1与d2的比值为0.76；h1与h2的比值为0.45，这样设置可使得凹坑区与台阶区的比例达到最优，从而对燃烧室内空气的充分利用，以有利于降低氮氧化物和碳烟的排放量。

此外，本实用新型实施例还为上述柴油机燃烧室设计了一种喷射角度，具体请参阅图4，图4是本实用新型实施例提供的一种燃烧室喷射角度示意图，该喷射角度的设计方式适用于所有满足上述设计要求的燃烧室。该设计要求将从燃烧室的喷油孔喷射出的油束与垂直方向的夹角作为喷射角度θ4。当活塞处于上止点时，按照该喷射角度从喷油孔喷出的油束线与导流线的接触点o到导流线底端起点a的连线长度，与导流线总长度之比在预设比例范围内。

示例性的，如图4所示，油束线co与导流线ab的接触点o到导流线底端起点a的连线长度|oa|，与导流线总长度|ab|之比大于0.51，且小于0.88。优选的，喷射角度θ4可为73.4°，此时，|oa|与|ab|之比为0.70，该设计可确保燃油喷雾经导流线4的引导，能够以合理的比例分别流向凹坑区与台阶区，充分利用燃烧室内的空气，也充分发挥燃烧室各处轮廓的引导作用。

具体的，在低转速点，例如1200r/min，1840n·m、最大扭矩点，例如1400r/min，2070n·m以及在额定功率点，例如1800r/min，1840n·m，这三个工况下，与现有技术的燃烧室相比，通过采用本实用新型实施例提供的燃烧室及其喷射角度，可使氮氧化物排放分别降低20.3％，16.2％，13.3％，碳烟排放分别降低35.0％，38.2％，45.7％，且相同喷油量下指示功略高。即本实用新型能够在热效率不损失的条件下，可同时有效降低氮氧化物和碳烟排放。

本实用新型实施例提供的技术方案，通过改变连接凹坑区的边界曲线与唇口的导流线的方向，即通过将导流线与燃烧室径向外侧水平方向形成的夹角设计为锐角，可在较大程度上实现高温区与富氧区的分离，即在缸内最高温度较高的燃烧初期，使高温区缺氧，富氧区与高温不接触，通过减少被高温包围的富氧区域面积，减少高温与富氧区的相互作用，抑制氮氧化物生成。此外，为了避免高温区缺氧使得燃烧初期碳烟生成增加的问题，本实用新型又通过设计台阶区曲线末端的斜率，可使混合气更多向气缸中心运动，加快燃烧后期碳烟的氧化，并能减少散热损失，从而弥补初期燃烧速率的降低，保证热效率不损失。故而本实用新型实施例提供的技术方案，可以在不损失热效率的前提下，同时降低氮氧化物和碳烟排放，且在较大喷油量时依然能保证抑制有害物生成的效果。另外，本实用新型实施例提供的技术方案，通过设计燃烧室轮廓与喷射角度实现上述技术效果，对已有发动机设计改动较小，不增加额外成本。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。