一种四气门直喷式柴油机燃烧室
技术领域
本属于汽车发动机技术领域，具体是一种四气门直喷式柴油机燃烧室。
背景技术
中国专利“直喷式柴油机”，公布号CN102892992A，公布日2013.01.23，提供一种四气门直喷式柴油机以及一种用于此发动机的活塞，其中使燃料空气混合物混合得比之前更加强烈、彻底，从而导致排放量减少，发动机效率增加。该专利公开的直喷式柴油机燃烧室不能满足高压缩比下的柴油机燃烧要求。为了提高柴油机燃油经济性，提高压缩比是技术措施之一，燃烧室容积需要减小。而燃烧室所述圆锥形或截头圆锥形突起的夹角为104°～108°，燃烧室容积减小只能减小此燃烧室出口直径，使得燃油蒸汽过早碰撞缩口壁面，致使凹坑内混合气质量变差，导致燃油经济性恶化。
中国专利“直喷式柴油机的燃烧室”，公布号CN109404156A，公布日2019.03.01，提供了一种直喷式柴油机的燃烧室，其位于活塞本体的活塞顶面的中心或非中心，且位于销孔的上方，燃烧室的径向呈圆形，轴向截面呈ω状，燃烧室包括上部台阶、缩口、底部圆弧以及中心凸台。该专利包括上部台阶、缩口、底部圆弧以及中心凸台。中心凸台由三个圆台堆砌的结构，设计结构比较复杂。上部台阶和缩口易导致燃油油束喷出燃烧室限流沿到缸壁，造成燃烧不完全，并且缩口处易开裂。
中国专利“一种柴油机的气缸活塞及应用该柴油机的燃烧室”，公告号CN103696870B，公告日2016.03.16，该专利公开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，所述燃烧室的外侧内壁具有内伸于容腔的弧脊，以所述弧脊的径向突出最高点形成的切线划分所述燃烧室为内侧常规区和凹槽区；所述燃烧室的喉口外沿处具有坡口，以形成与所述凹槽区连通的缓冲区，所述缓冲区的外轮廓自所述凹槽区至活塞顶面呈渐近的趋势变化。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。但存在以下问题：该发明中燃烧室的喉口由直线段4、直线段6以及连接直线段4与直线段6的半径为4-5mm的圆弧组成，而且直线段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°，其弧脊径向突出最高点至活塞中心线的距离l与燃烧室常规区A的最大直径L的比值为0.7-0.75，可以发现喉口弧脊向燃烧室内部突出明显，会导致喉口内侧与活塞冷却油道之间的距离较大，使得燃烧过程中喉口的受热比较集中。尤其是目前柴油机绝大多数采用高压缩比，高喷油压力的燃烧系统，本身爆压高，燃烧温度高，更容易导致喉口热负荷过高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。
随着排放法规的升级，商用车市场的竞争越来越激烈，对柴油机的经济性和排放性都提出了更高的要求。通过提升压缩比来提高柴油机热效率，需要对燃烧室结构做出优化调整。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种有效提高柴油机热效率，降低排放的四气门直喷式柴油机燃烧室。
为达到上述目的，本发明设计的四气门直喷式柴油机燃烧室，所述燃烧室轴向截面呈ω状，其特征在于，包括：
上部圆弧，其为燃烧室与活塞顶面圆弧接触的球形面；
缩口，位于上部圆弧的下方，缩口呈环状弧形凸出状，并于所述上部圆弧的下部圆弧光滑过渡；
底部圆弧，其位于燃烧室的底部，所述底部圆弧与所述缩口的下部圆弧光滑过渡；
中心凸台，其位于燃烧室的中心，所述中心凸台的顶面为平面，呈圆台状；中心凸台侧面母线是与燃烧室中心线成一定夹角并与所述底部圆弧相切的直线段。
优选的，所述缩口的圆弧的圆心距活塞顶面的距离V2与燃烧室的深度V1之比在0.51～0.56之间。这样，使得缩口的圆弧处于燃烧室中段，使得卷流到燃烧室上部的混合气也有足够的空间进行快速混合。
优选的，所述中心凸台与活塞顶面之间最小的距离V3与燃烧室的深度V1之比在0.21～0.23之间。
优选的，所述缩口最小直径B与燃烧室位于喉口下部区域的最大内径C的比值在0.99～1之间。
优选的，所述缩口最小直径B与气缸活塞顶面的直径的比值在0.58～0.59之间。
优选的，缩口圆弧半径为2～2.1mm。
优选的，最大开口直径A与气缸活塞顶面的直径的比值为0.73～0.74之间。
优选的，上部圆弧半径为18～18.1mm。
优选的，底部圆弧半径为7.5～7.6mm。
优选的，所述中心凸台侧面母线与中心凸台的顶面通过凸台圆弧光滑过渡。
优选的，所述中心凸台侧面母线之间的夹角为α，且115°≤α≤135°。
本发明的有益效果是：本发明利用弧脊造成燃油射流的流动分离，扰动缸内涡流，形成双涡，以促进混合、改善燃烧。在匹配高轨压(2000bar左右)，高压缩比(20～21)以及合适的进气涡流比和喷油夹角的燃烧系统时，能大幅度降低颗粒排放以及有效燃油消耗率。射到缩口圆弧的燃油形成两路气流运动，向上的混合燃气被卷吸到活塞顶面与缸盖底面的区域,使得新鲜空气得以充分利用,缸内燃油空间分布更加均匀；向下的混合气沿着底部圆弧，中心凸台侧面母线，凸台圆弧与中心凸台向燃烧室中心卷吸，有利于燃油和火焰向燃烧室的中心扩展，降低活塞壁面处的热损失。
本发明的燃烧室结构使得更多的未燃燃油向空气更为充足燃烧室中部扩展，加强了燃油与空气之间的混合，有助于降低排放和油耗。可以通过调整燃油碰壁位置使更多的燃油进入燃烧室常规区，可以有效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。
仿真结果表明，在部分负荷工况下，燃烧室指示热效率最大可提高2.7％，指示比油耗最大可改善5g/kw·h。
附图说明
图1是本发明燃烧室的轴向截面示意图
图2是本发明燃烧室的喷入燃油运动示意图
图中：1、活塞本体，2、活塞顶面，3、上部圆弧，4、缩口，5、底部圆弧，6、中心凸台侧面母线，7、凸台圆弧，8、中心凸台，9、燃烧室中心线，10、上部空间，11、下部空间；α、中心凸台侧面母线线之间的夹角，A、最大开口直径，B、缩口最小直径，C、燃烧室下部空间的最大直径，V1、燃烧室的深度，V2、缩口圆弧的圆心距活塞顶面的距离，V3、中心凸台与活塞顶面之间最小的距离。
具体实施方式
下面通过图1～图2以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
如图1和图2所示，本发明设计的四气门直喷式柴油机燃烧室，其位于活塞本体1的活塞顶面2的中心或非中心，所述燃烧室轴向截面呈ω状，其包括上部圆弧3、缩口4、底部圆弧5、中心凸台8。缩口4以上的区域形成上部空间10，缩4以下的区域形成下部空间11。
上部圆弧3，其为燃烧室与活塞顶面2圆弧接触的球形面；
缩口4，位于上部圆弧3的下方，缩口4呈环状弧形凸出状，并于所述上部圆弧3的下部圆弧光滑过渡；
底部圆弧5，其位于燃烧室的底部，所述底部圆弧5与所述缩口4的下部圆弧光滑过渡；
中心凸台8，其位于燃烧室的中心，所述中心凸台8的顶面为平面，呈圆台状；中心凸台侧面母线6是与燃烧室中心线9成一定夹角并与所述底部圆弧5相切的直线段。优选的，所述中心凸台侧面母线6与中心凸台8的顶面通过凸台圆弧7光滑过渡。所述中心凸台侧面母线6之间的夹角为α，且115°≤α≤135°。
优选的，所述缩口的圆弧的圆心距活塞顶面的距离V2与燃烧室的深度V1之比在0.51～0.56之间。这样，通过调节V1，V2的比值，使得缩口的圆弧处于燃烧室中段，使得卷流到燃烧室上部的混合气也有足够的空间进行快速混合。
优选的，所述中心凸台与活塞顶面之间最小的距离V3与燃烧室的深度V1之比在0.21～0.23之间。
优选的，所述缩口最小直径B(亦有称为燃烧室小径)与燃烧室位于喉口下部区域的最大内径C(亦有称为燃烧室大径)的比值在0.99～1之间，缩口圆弧半径为2～2.1mm，因此喉口弧脊不会过多向燃烧室内部凸出，与活塞冷却油道之间的距离较短。而与缩口4连接的上部圆弧3的半径为18～18.1mm，底部圆弧半径为7.5～7.6mm，燃烧室与活塞冷却油道之间的接触面较大，可以降低因热负荷升高过快而导致喉口失效的风险。
优选的，所述缩口最小直径B与气缸活塞顶面的直径的比值在0.58～0.59之间。
优选的，最大开口直径A与气缸活塞顶面的直径的比值为0.73～0.74之间。
本发明燃烧室的特点是设计两个圆弧由缩口圆弧连接，将燃烧室分成上下两个部分。对于燃烧室上部，通过设计合理的缩口圆弧的圆心位置，通过V2和B两个值确定位置和圆弧半径、燃烧室上部开口直径，使得喷入燃烧室上部的燃油蒸汽比例合理。通过调整凸台侧面母线之间夹角α，使得混合燃气在底部圆弧的引流作用下，与中心凸台上部的空气的混合明显加强，最大程度上减少了未燃尽碳氢化合物的量，同样最大程度上减少了碳烟颗粒的生成。
本领域技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不以限制本发明，凡在本发明的精神和原则下所做的任何修改、组合、替换、改进等均包含在本发明的保护范围之内。
