柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及設(shè)置于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，并且由沿著規(guī)定的中心軸延伸的汽缸的內(nèi)側(cè)面、在該汽缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞的冠面、和與該活塞的冠面相向的汽缸蓋的底面劃定，且內(nèi)側(cè)被噴射燃料的燃燒室。
【背景技術(shù)】
[0002]以往，在向燃燒室內(nèi)直接噴射燃料的直接噴射式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，以促進(jìn)燃料與空氣的混合為目的，而在活塞的冠面上設(shè)置向遠(yuǎn)離汽缸蓋的方向凹入的腔，并且通過(guò)燃料噴射沿著腔壁面形成縱方向的噴霧的流動(dòng)、即形成縱向渦。
[0003]例如，專利文獻(xiàn)1公開了一種在活塞的冠面的中央形成有腔的燃燒室結(jié)構(gòu)，腔是所謂的凹型、即、中央隆起部隆起且開口部以向上變窄的形狀縮小的結(jié)構(gòu)，并且以使燃料噴霧朝向在該腔的壁面中與開口緣相比靠近汽缸蓋相反側(cè)的部分流動(dòng)的形式安裝有燃料噴射裝置。
[0004]在該專利文獻(xiàn)1的燃燒室結(jié)構(gòu)中，燃料噴霧與在腔的壁面中與開口緣相比靠近汽缸蓋相反側(cè)的部分沖撞，而沿著腔的壁面從外周側(cè)向下方流動(dòng)后朝向中央流去，之后流向燃料噴射裝置側(cè)，以此可以有效地混合燃料與空氣。
[0005]專利文獻(xiàn)1:日本特開平9-69063號(hào)公報(bào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在這里，如上所述，如果設(shè)置凹型的腔，則可以促進(jìn)燃料與空氣的混合，并且可以減少有害燃燒生成物(NOx、黑煙(soot，煙、所謂煙霧))，可以改善燃料消耗性能。具體而言，在凹型的腔設(shè)置于活塞的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，在發(fā)動(dòng)機(jī)的中負(fù)荷域或高負(fù)荷域中從燃料噴射閥噴射較大量的燃料時(shí)，引起到達(dá)腔周緣部的燃料的噴霧沿著腔的壁面反轉(zhuǎn)(向中心側(cè)方向轉(zhuǎn)換方向)那樣的流動(dòng)(縱向渦)，由此促進(jìn)燃料與空氣的混合，借助于此改善燃料消耗性能且減少有害燃燒生成物(NOx、黑煙)。
[0007]在這里，腔越大，腔內(nèi)產(chǎn)生的縱向渦越強(qiáng)，伴隨于此該有害燃燒生成物的減少效果、即燃料與空氣的混合效果越強(qiáng)。
[0008]另一方面，在活塞通過(guò)上死點(diǎn)后，隨著活塞的下降而燃燒室容積增加。此時(shí)，在燃燒室內(nèi)，產(chǎn)生燃燒氣體向燃燒室容積增加率較大的腔的徑向外側(cè)的流動(dòng)，并且燃燒氣體的熱傳遞至唇部附近而變成冷卻損失。而且，在上死點(diǎn)處的腔徑向外側(cè)的燃燒室容積越小，即腔越大，該冷卻損失越大。具體而言，腔越大時(shí)，不得不減小腔徑向外側(cè)的燃燒室容積，因此腔徑向外側(cè)的燃燒室容積的增加率增大，并且在該部分上的氣體的流動(dòng)增強(qiáng)，冷卻損失增大。
[0009]因此，成為課題的是為了抑制有害燃燒生成物的產(chǎn)生且減少冷卻損失乃至改善燃料消耗性能，而將燃燒室的腔和其外側(cè)的燃燒室容積設(shè)定為更合適。
[0010]本發(fā)明是鑒于上述點(diǎn)而形成，提供能夠抑制有害燃燒生成物的產(chǎn)生且能夠進(jìn)一步改善燃料消耗性能的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室結(jié)構(gòu)。
[0011]為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室結(jié)構(gòu)，所述燃燒室結(jié)構(gòu)是設(shè)置于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，且由圓筒狀的汽缸的內(nèi)側(cè)面、在該汽缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞的冠面、和與該活塞的冠面相向的汽缸蓋底面劃定，且內(nèi)側(cè)被噴射燃料的燃燒室的結(jié)構(gòu)，在上述活塞的冠面的中央形成有向遠(yuǎn)離上述汽缸蓋底面的方向凹入的腔；形成上述腔的壁面具有以越靠近腔的中心側(cè)而離上述汽缸蓋底面越近的形式隆起的中央隆起部、形成在與該中央隆起部相比靠近活塞徑向外側(cè)的位置且在剖視時(shí)向徑向外側(cè)凹入的周邊凹部、和形成于該周邊凹部和上述腔的開口緣之間且在剖視時(shí)向活塞徑向內(nèi)側(cè)凸出的唇部；上述活塞的冠面中的與上述腔的唇部相比靠近活塞徑向外側(cè)的部分、即外周部具有與該唇部連續(xù)形成的第一部分、和位于與該第一部分相比靠近活塞徑向外側(cè)的位置的第二部分；上述第一部分位于與上述第二部分相比遠(yuǎn)離上述汽缸蓋底面的位置，以此在上述第一部分與上述第二部分之間設(shè)有階梯部；將由如下各面劃定的容積設(shè)為階梯部容積V_STEP:g卩，橫跨上述唇部、第一部分以及階梯部的活塞的壁面、通過(guò)上述唇部的徑向內(nèi)側(cè)緣且與上述汽缸的中心軸平行地延伸的面、和通過(guò)上述階梯部和第二部分的連接部且在與上述汽缸的中心軸正交的方向上延伸的面，并且將在上死點(diǎn)處的上述燃燒室的容積設(shè)為上死點(diǎn)容積V_TDC，此時(shí)，將由V_STEP/V_TDC規(guī)定的階梯部容積比VR設(shè)定為0.1以下。
[0012]根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)⒗鋮s損失抑制為較小且能夠改善燃料消耗性能。
[0013]具體而言，在活塞的冠面的外周部上形成有階梯部，并且將從腔的唇部向徑向外側(cè)延伸的第一部分與汽缸蓋底面之間的距離確保為較大，因此在隨著活塞的下降而燃燒室容積增大時(shí)，可以將位于腔徑向外側(cè)部分上的該第一部分的容積增加率抑制為較小。因此，在活塞下降時(shí)，可以將從腔向該第一部分流入的氣體向燃燒室壁面的傳熱系數(shù)抑制為較小而將冷卻損失抑制為較小。
[0014]此外，在本發(fā)明中，形成腔的壁面由如下部分構(gòu)成:以越靠近腔的中心側(cè)而離汽缸蓋底面越近的形式隆起的中央隆起部、形成在與中央隆起部相比靠近活塞徑向外側(cè)的位置且在剖視時(shí)向徑向外側(cè)凹入的周邊凹部、和形成于該周邊凹部和上述腔的開口緣之間且在剖視時(shí)向活塞徑向內(nèi)側(cè)凸出的唇部，因此在噴射燃料時(shí)在燃燒室內(nèi)可以產(chǎn)生沿著唇部和周邊凹部流向汽缸蓋相反側(cè)后向汽缸的中心軸且向汽缸蓋側(cè)流去的縱向渦，從而可以通過(guò)該縱向渦促進(jìn)燃料與空氣的混合而抑制有害燃燒生成物的產(chǎn)生。
[0015]此外，在本發(fā)明中，上述階梯部容積比VR設(shè)定為0.1以下。S卩，避免在燃燒室中位于腔的徑向外側(cè)且與腔連續(xù)形成的部分的容積過(guò)度增大，確保腔的容積。因此，如上所述將冷卻損失抑制為較小，改善燃料消耗性能，并且確保上述縱向渦的強(qiáng)度，從而可以確實(shí)地抑制黑煙的產(chǎn)生。
[0016]具體而言，伴隨在活塞下降時(shí)從腔向徑向外側(cè)流動(dòng)的氣體流動(dòng)(所謂逆擠流(squish flow))而從腔向徑向外側(cè)移動(dòng)的氣體通過(guò)唇部以及第一部分上方，如果進(jìn)一步增大該唇部以及第一部分上方的容積、即階梯部容積V_STEP，則由于從腔向該第一部分引入的氣體流速減小等，因此能夠?qū)⑾蛉紵冶诿娴膫鳠崃恳种茷檩^小且將冷卻損失抑制為較小。然而，燃燒室整體的容積由所需的排氣量以及壓縮比限定。因此，在使該階梯部容積V_STEP增大時(shí)腔的容積減小，在腔內(nèi)無(wú)法充分產(chǎn)生縱向渦而導(dǎo)致黑煙惡化。關(guān)于這一點(diǎn)，本發(fā)明人等經(jīng)過(guò)深刻研究后查明了在階梯部容積比VR=V_STEP/V_TDC超過(guò)0.1并增大時(shí)，黑煙會(huì)急增，其中上述階梯部容積比是上述階梯部容積V_STEP與在上死點(diǎn)處的燃燒室容積V_TDC的比值。因此，通過(guò)設(shè)置上述階梯部、且使該階梯部容積比VR為0.1以下，以此在本發(fā)明中，如上所述可以抑制冷卻損失而提高燃料消耗性能，且可以抑制黑煙的惡化。
[0017]在本發(fā)明中，優(yōu)選的是上述階梯部的高度設(shè)定為0.5mm以上。
[0018]這樣一來(lái)，即使在上述第一部分上堆積煙塵等，也可以確保該第一部分上方的容積乃至上述階梯部和唇部之間的部分的容積，因此可以將該部分上的從氣體向燃燒室壁面的傳熱量進(jìn)一步確實(shí)地抑制為較小。
[0019]在這里，本發(fā)明人等查明了關(guān)于冷卻損失以及黑煙與上述階梯部容積比VR之間的關(guān)系，在進(jìn)一步使該階梯部容積比VR小于0.04時(shí)，隨著該階梯部容積比VR的降低而黑煙的產(chǎn)生量幾乎不變，但是冷卻損失會(huì)增大。因此，為了將黑煙減少一定程度且有效地得到冷卻損失的減少效果，在本發(fā)明中，優(yōu)選的是將上述階梯部容積比VR設(shè)定為0.04以上。
[0020]又，本發(fā)明人等查明了能夠更穩(wěn)定地同時(shí)獲得冷卻損失的減少效果、即燃料消耗性能的改善效果和黑煙減少效果這兩者的上述階梯部容積比VR為0.06以上0.08以下。因此，在本發(fā)明中，優(yōu)選的是將上述階梯部容積比VR設(shè)定為0.06以上0.08以下。
[0021]由上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以在抑制黑煙的產(chǎn)生的同時(shí)進(jìn)一步改善燃料消耗性能。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的概要的圖；
圖2是圖1所示的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室附近的概略剖視圖；
圖3是示出燃燒室的結(jié)構(gòu)的概略剖視圖；
圖4是燃燒室的概略俯視圖；
圖5是用于說(shuō)明在上死點(diǎn)的燃燒室容積的圖；
圖6是用于說(shuō)明階梯部容積部的容積的圖；
圖7中的(a)是示出燃燒初期的氣體的流動(dòng)的圖；
圖7中的(b)是示出燃燒中期的氣體的流動(dòng)的圖；
圖7中的(c)是示出燃燒后期的氣體的流動(dòng)的圖；
圖8中的(a)是示出未設(shè)置有階梯部容積部的燃燒室中的氣體流動(dòng)的圖；
圖8中的(b)是示出根據(jù)本實(shí)施形態(tài)的燃燒室中的氣體流動(dòng)的圖；
圖9中的(a)是示出未設(shè)置有階梯部容積部的燃燒室中的氣體流速的圖；
圖9中的(b)是示出根據(jù)本實(shí)施形態(tài)的燃燒室中的氣體流速的圖；
圖10中的(a)是示出未設(shè)置有階梯部容積部的燃燒室中的溫度分布的圖；
圖10中的(b)是示出根據(jù)本實(shí)施形態(tài)的燃燒室中的溫度分布的圖；
圖11是示出階梯部容積比與冷卻損失及黑煙產(chǎn)生量之間的關(guān)系的圖表；
圖12是用于說(shuō)明階梯部容積