活塞的燃烧碗的制作方法
【专利摘要】公开一种活塞的燃烧碗。具体地，一种用于压燃式内燃发动机的活塞包括具有沿着纵向活塞轴线限定的柱形外表面的活塞主体。活塞包括限定燃烧碗的燃烧面，燃烧碗包括内碗表面、内缘部分和外缘部分。燃烧面包括围绕纵向活塞轴线的旋转截面轮廓。旋转轮廓的第一轮廓包括凸曲线段、在凸曲线段外侧的线性段、以及在线性段外侧的第一组凹曲线段。第一组凹曲线段限定第一曲率半径。第二轮廓设置在第一轮廓外侧并且包括第二组凹曲线段。第二组凹曲线段限定大于第一曲率半径的第二曲率半径。
【专利说明】活塞的燃烧碗
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种压燃式内燃发动机的活塞，并且更具体地，涉及一种具有用于压燃式内燃发动机的活塞的燃烧碗的燃烧面。
【背景技术】
[0002]包括柴油发动机、汽油发动机、天然气发动机和本领域已知的其它发动机的发动机会排放空气污染物的复杂混合物。空气污染物可以由气体化合物组成，气体化合物可以包括氮氧化物(NOx)、未燃烃、和诸如煤烟等固体颗粒物质。由于对环境的日益关注，这些废气排放需要被最少化以满足严格的环境标准。因此，根据发动机型号、发动机尺寸和/或发动机等级，存在可以调节从发动机排出的空气污染物的量的很多方式。例如，用于发动机的活塞燃烧碗的设计在调节从发动机排出的空气污染物的量中起到重要的作用。
[0003]例如，美国专利N0.7942126涉及一种用于操作直喷自动点火内燃发动机的方法和一种相应地构造的内燃发动机,该内燃发动机包括活塞顶和喷射器，活塞顶中一体地形成有并入基本环形阶梯空间的活塞凹坑，喷射器形成指向阶梯空间的喷射射流，射流在那里以下述方式偏转，第一部分燃料量在轴向和径向上指向活塞凹坑内，第二部分燃料量在活塞顶上方在轴向和径向上偏转，并且第三部分燃料量偏转到周向以便在周向上一个冲击在另一个上并且径向向内偏转，喷射的开始和喷射持续时间彼此协调并且与内燃发动机的曲柄角协调，以此方式使得邻近喷射射流的第三部分量在周向上以至少15m/s的速度彼此碰触。
【发明内容】
[0004]一方面，本发明提供一种用于压燃式内燃发动机的活塞。活塞包括活塞主体，其具有沿着纵向活塞轴线限定的柱形外表面。柱形外表面具有第一轴向活塞端和第二轴向活塞端。燃烧面设置在第二轴向活塞端处。燃烧面限定燃烧碗，燃烧碗包括内碗表面、内缘部分和外缘部分。燃烧面包括围绕纵向活塞轴线的旋转截面轮廓。旋转轮廓包括第一轮廓和第二轮廓。第一轮廓包括对应于内碗表面且通过纵向活塞轴线平分的凸曲线段。第一轮廓还包括在凸曲线段外侧的线性曲线段和在线性曲线段外侧的第一组凹曲线段。第一组凹曲线段限定第一曲率半径。旋转轮廓还包括在第一轮廓外侧的第二轮廓，其包括对应于外缘部分的第二组凹曲线段。第二组凹曲线段限定比第一曲率半径大的第二曲率半径。
[0005]另一方面，提供一种压燃式内燃发动机。发动机包括限定布置在其中的多个气缸的气缸体和安装在气缸体上的气缸盖。发动机还包括能够在气缸体内往复运动的活塞。活塞包括活塞主体，其具有沿着纵向活塞轴线限定的柱形外表面。柱形外表面具有第一轴向活塞端和第二轴向活塞端。燃烧面设置在第二轴向活塞端处。燃烧面限定燃烧碗，燃烧碗包括内碗表面、内缘部分和外缘部分。燃烧面包括围绕纵向活塞轴线的旋转截面轮廓。旋转轮廓包括第一轮廓和第二轮廓。第一轮廓包括对应于内碗表面并且通过纵向活塞轴线平分的凸曲线段。第一轮廓还包括在凸曲线段外侧的线性曲线段和在线性曲线段外侧的第一组凹曲线段。第一组凹曲线段限定第一曲率半径。旋转轮廓还包括在第一轮廓外侧的第二轮廓，其包括对应于外缘部分的第二组凹曲线段。第二组凹曲线段限定比第一曲率半径大的第二曲率半径。
[0006]又一方面，提供一种用于压燃式内燃发动机的活塞的燃烧面。燃烧面包括燃烧碗，燃烧碗具有内碗表面、内缘部分和外缘部分。燃烧面包括围绕纵向活塞轴线的旋转截面轮廓。旋转轮廓包括第一轮廓和第二轮廓。第一轮廓包括对应于内碗表面并且通过纵向活塞轴线平分的凸曲线段。第一轮廓还包括在凸曲线段外侧的线性曲线段和在线性曲线段外侧的第一组凹曲线段。第一组凹曲线段限定第一曲率半径。旋转轮廓还包括在第一轮廓外侧的第二轮廓，其包括对应于外缘部分的第二组凹曲线段。第二组凹曲线段限定比第一曲率半径大的第二曲率半径。
[0007]本发明的其它特征和方面将通过以下描述和附图变得清楚。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是内燃发动机的横截面图；
[0009]图2图示根据本发明的实施方式具有燃烧面的活塞的截面图；和
[0010]图3图示图2的活塞的燃烧面的轮廓的细节图示。
【具体实施方式】
[0011]图1图示内燃发动机100 (以下称为发动机100)的横截面图。在本发明的方面中，发动机100可以是直喷压燃式内燃发动机，诸如用在机车中的柴油发动机。但是，可以想到的是，发动机100可以是用作2冲程发动机或4冲程发动机的任何其它类型的直喷压燃式内燃发动机。发动机100可以包括发动机缸体102、多个活塞组件104 (仅示出一个)、与每个活塞组件104相关联的气缸盖106、阀致动系统108、空气引入系统110、燃料系统112和排气系统114。
[0012]发动机缸体102可以限定多个气缸116 (仅示出一个)。活塞组件104可以定位成在每个气缸116内往复运动。可以想到的是，内燃发动机100可以包括任意数量的气缸116并且气缸116可以以“直列”构造、“V型”构造或任何其它常规构造布置。
[0013]每个活塞组件114可以被构造成在下止点(BDC)位置或气缸116内的最低位置与上止点(TDC)位置或气缸116内的最上位置之间往复运动。特别地，活塞组件104可以包括活塞主体118,活塞主体118包括与气缸116的气缸壁相对定位的柱形外表面120。本领域普通技术人员将理解，柱形外表面120可能在活塞主体118的长度上不是均匀柱形，但是，其可以包括沿着限定纵向活塞轴线122的轴向长度的至少一部分延伸的柱形表面。活塞主体118还可以包括第一轴向活塞端124和第二轴向活塞端126。在本发明的方面中，第二轴向活塞端126可以包括燃烧面128。
[0014]此外，每个气缸盖106可以与一个气缸116相关联，以形成具有一个或多个端口的燃烧室138。进气通道130可以流体地连接并通至用于每个气缸116的进气端口 132，并且能够向气缸116供应空气。此外，排气通道134可以流体地连接并通至用于每个气缸116的排气端口 136。排气通道134可以被构造成将多种燃烧产物从气缸116输出。可以想到的是，一个气缸盖106可以替代地与多个气缸116和活塞组件104相关联，以形成多个燃烧室138。还可以想到的是，气缸盖106还可以限定用于每个气缸116的两个或更多进气端口132和/或排气端口 136。
[0015]阀致动系统108可以包括设置在每个进气端口 132内并且能够选择性地阻塞对应的进气端口 132的进气阀140。另外，排气阀142可以设置在每个排气端口 136内并且能够选择性地阻塞对应的排气端口 136。
[0016]此外，空气引入系统110可以被构造成将空气137吸入内燃发动机100内并且可以包括与进气通道130流体地连接的进气歧管144。可以想到的是，空气引入系统110可以是具有涡轮驱动或发动机驱动压缩机(未示出)的增压空气系统，或者可以包括附加空气处理部件，诸如废气闸门阀、节流阀、EGR系统、空气清洁器、空气冷却器或本领域中已知的任何其它空气处理部件。
[0017]燃料系统112可以被构造成向内燃发动机100供应燃料并且可以包括加压燃料源146和至少一个燃料喷射器148。可以想到的是，可以包括附加部件，诸如像阀、能够向多个燃料喷射器分配燃料的燃料共轨、预燃烧室、或本领域中已知的任何其它燃料系统部件。
[0018]加压燃料源146可以被构造成产生加压流体的流动，并且可以包括泵，诸如像可变排量泵、固定排量泵、可变流量泵、或本领域中已知的任何其它加压流体源。加压燃料源146可以通过例如副轴(未示出)、带(未示出)、电路(未示出)、或以任何其它适当方式可驱动地连接至功率源(未示出)。还可以想到的是，加压燃料源146可以替代地是加压气体燃料供应。
[0019]燃料喷射器148可以设置在与气缸116相关联的气缸盖106内。燃料喷射器148可以是可操作的，以在预定燃料压力和燃料流速下将加压燃料量喷射到燃烧室138内。燃料喷射器148可以被机械地、电气地、气动地或液压地操作。在本发明的方面中，燃料喷射器148可以包括上方的燃料喷射器孔口组和下方的燃料喷射器孔口组，其能够以不同的角度向燃料面128喷射燃料喷束。
[0020]此外,排气系统114可以被构造成从气缸116直接排放到大气,并且可以包括与排气通道134流体连通的排气歧管150，排气通道134与气缸116相关联。可以想到的是，排气系统114可以包括其它部件，诸如像涡轮、废气再循环系统、颗粒过滤器、催化后处理系统、或本领域中已知的任何其它排气系统部件。
[0021]图2图示根据本发明的实施方式的活塞104的截面图。如图2中所示，第二轴向活塞端126可以包括燃烧面128，其限定燃烧碗202，燃烧碗202包括内碗表面204、内缘部分206和外缘部分208。
[0022]在本发明的方面中，内碗表面204可以位于锥形突出部210上。燃烧面128还可以包括邻近柱形外表面120并且在燃烧碗202的外缘部分208外侧的外表面212。
[0023]在本发明的方面中，燃烧面128可以包括截面轮廓，该截面轮廓还包括围绕纵向活塞轴线122的旋转轮廓。参照图2和图3，燃烧面128的旋转轮廓可以包括第一轮廓214、第二轮廓216和第三轮廓218。旋转轮廓可以包括许多曲线段，每个曲线段对应于燃烧面128的表面之一。旋转轮廓可以围绕纵向活塞轴线122径向均匀。相应地，如图2和图3中所示的在纵向轴线122的一侧上的旋转轮廓的一些特征的描述可以被理解为类似地指在纵向活塞轴线122的相对侧上的旋转轮廓的特征。
[0024]旋转轮廓可以包括碗轮廓302 (如图3中所示)，其限定具有由纵向轴线122平分的凸曲线段304的第一轮廓214。凸曲线段304可以对应于内碗204并且由内碗204限定。另外，第一轮廓214包括具有在凸曲线段304外侧的第一线性段306的连续过渡。在实施方式中，第一线性曲线段306以与纵向活塞轴线122成预定角度A设置。例如，预定角度A可以在大约60度至65度的范围内。
[0025]第一轮廓214还可以包括在线性曲线段306外侧的第一组凹曲线段308。第一组凹曲线段308对应于燃烧碗202的内缘部分206。在本发明的方面中，第一组凹曲线段308限定第一曲率半径Rl。
[0026]此外，旋转轮廓可以包括在第一轮廓214外侧的第二轮廓216。在本发明的方面中，第二轮廓216可以包括第二组凹曲线段310。第二组凹曲线段310对应于燃烧碗202的外缘部分208。第二组凹曲线段310可以限定第二曲率半径R2。在本发明的方面中，第二曲率半径R2大于第一曲率半径Rl。在示例性实施方式中，第一曲率半径Rl可以在大约1mm至15mm的范围内，并且第二曲率半径R2可以在大约20mm至25mm的范围内。
[0027]在实施方式中，燃烧面128的旋转轮廓还可以包括从第一轮廓214到第二轮廓216的非凹入过渡314。例如，非凹入过渡314可以是从第一组凹曲线段308到第二组凹曲线段310的过渡。在本发明的方面中，非凹入过渡314限定在大约2mm至5mm范围内的第三曲率半径R3。
[0028]此外，燃烧碗202的内缘部分206和外缘部分208被构造成分别从燃料喷射器148的下方的燃料喷射器孔口组224和上方的燃料喷射器孔口组226分别接收两种燃料喷束220和222。在实施方式中，燃烧碗202的内缘部分206和外缘部分208被构造成在如图2中所示的两个不同平面处引导燃料喷射器束220和222。
[0029]在本发明的方面中，下方的燃料喷射器孔口组224和上方的燃料喷射器孔口组226可以包括相对于彼此以第一预定角度设置的第一组燃料喷射器孔口和相对于彼此以第二预定角度设置的第二组燃料喷射器孔口。例如，上方的燃料喷射器孔口组226可以包括围绕燃料喷射器148相对于彼此以大约60度设置的六个燃料喷射器孔口。类似地，下方的燃料喷射器孔口组224可以包括围绕燃料喷射器148相对于彼此以大约60度设置的六个燃料喷射器孔口。
[0030]在本发明的另一方面中，上方的燃料喷射器孔口组226和下方的燃料喷射器孔口组224可以相对于纵向活塞轴线122以不同的预定角度喷射燃料喷束222和220。在本发明的方面中，上方的燃料喷射器孔口组226可以具有较宽的夹角，使得上方的燃料喷射器孔口组226被构造成将燃料喷束222引导到燃烧碗202的外缘部分208上。另外，下方的燃料喷射器孔口组224可以具有较窄的夹角，使得下方的燃料喷射器孔口组224可以将燃料喷束220引导到燃烧碗202的内缘部分206上。因此，这些燃料喷束220和222分别被接收在燃烧碗202的内缘部分206和外缘部分208处的两个不同平面处。
[0031]燃烧面128的旋转轮廓可以包括在第二轮廓216外侧的第三轮廓218。在本发明的方面中，第三轮廓218可以包括对应于外表面212的一组线性水平段316，外表面212邻近外表面120。此外，燃烧面128的旋转轮廓可以包括基本上垂直于纵向活塞轴线122的水平轴线318。在实施方式中，水平轴线318被构造成穿过第三轮廓218并且在点320处与第二轮廓216相交。水平轴线318被构造成与燃烧面128的第一轮廓214的凸曲线段304相距预定距离D。在本发明的方面中，预定距离D大于零。
[0032]工业实用性
[0033]包括诸如用在机车中的柴油发动机等直喷压燃式发动机的发动机会排放空气污染物的复杂混合物。空气污染物可以由气体化合物组成，气体化合物可以包括氮氧化物(NOx)、未燃烃、和诸如煤烟等固体颗粒物质。由于对环境的日益关注，这些废气排放需要被最少化以满足严格的环境标准。因此，根据发动机型号、发动机尺寸和/或发动机等级，存在可以调节从发动机排出的空气污染物的量的很多方式。
[0034]为了调节颗粒物质的排放，已知后处理方法。但是，这些后处理方法在减少从发动机排出的颗粒物质的同时易于增加NOx排放，这也是不期望的。因此，在颗粒物质燃烧的过程中减少颗粒物质的产生且不影响NOx排放是重要的。
[0035]相应地，这里公开具有燃烧面128的活塞104。燃烧面128包括燃烧碗202，燃烧碗202具有从内缘部分206到外缘部分208的非凹入过渡314，其被构造成使燃料喷束220和222从上方的燃料喷射器孔口组226和下方的燃料喷射器孔口组224转向到两个不同的平面。这有利于燃料喷束的分离和燃料喷束与气缸内充量(诸如燃烧室138中的空气)的均匀混合。燃料与气缸内充量的均匀混合引起在燃烧室138内的最大化燃烧和在燃烧过程中诸如煤烟等颗粒物质的较低排放。
[0036]在本发明的方面中，具有两个缘部分(S卩，内缘部分206和外缘部分208)的燃烧碗202的表面面积/体积比相比于单个碗轮廓产生到周围的改进的传热速率。本发明的燃烧碗202的改进的传热速率引起在燃烧过程中较低的NOx排放。
[0037]虽然已经参照上述实施方式具体地示出并描述本发明的方面，本领域技术人员将理解，通过对本发明的发动机系统和方法的变型可以想到各种附加实施方式，而不背离本发明的精神和范围。这些实施方式应当被理解为落入如基于权利要求及其任何等效确定的本发明的范围内。
【权利要求】
1.一种用于压燃式内燃发动机的活塞，所述活塞包括: 活塞主体，其包括沿着纵向活塞轴线限定的柱形外表面，柱形外表面具有第一轴向活塞?而和弟_■轴向活塞立而; 燃烧面，其设置在第二轴向活塞端处，燃烧面限定燃烧碗，燃烧碗具有内碗表面、内缘部分和外缘部分；和 燃烧面的截面轮廓，其包括围绕纵向活塞轴线的旋转轮廓，燃烧面的旋转轮廓包括: 第一轮廓，其包括对应于内碗表面并且由纵向活塞轴线平分的凸曲线段、在凸曲线段外侧的线性曲线段、以及在线性曲线段外侧并且对应于内缘部分的第一组凹曲线段，第一组凹曲线段限定第一曲率半径；和 在第一轮廓外侧的第二轮廓，其包括第二组凹曲线段，第二组凹曲线段对应于外缘部分并且限定大于第一组凹曲线段的第一曲率半径的第二曲率半径。
2.根据权利要求1所述的活塞，其中，燃烧面的旋转轮廓包括从第一轮廓到第二轮廓的非凹入过渡。
3.根据权利要求1所述的活塞，其中，燃烧面的旋转轮廓还包括在第二轮廓外侧并且对应于邻近柱形外表面的燃烧面的外表面的第三轮廓。
4.根据权利要求3所述的活塞，其中，燃烧面的旋转轮廓还包括基本上垂直于纵向活塞轴线并且能够与燃烧面的第三轮廓和第二轮廓相交的水平轴线。
5.根据权利要求4所述的活塞，其中，凸曲线段与水平轴线相距预定距离，使得预定距离大于零。
6.根据权利要求1所述的活塞，其中，线性曲线段以与纵向活塞轴线成预定角度设置。
7.根据权利要求1所述的活塞，其中，第一轮廓包括从凸曲线段到第一组凹曲线段的连续过渡。
8.一种压燃式内燃发动机，包括: 气缸体，其限定设置在其中的多个气缸； 气缸盖，其安装在气缸体上； 活塞，其能够在气缸体内往复运动，活塞包括: 活塞主体，其包括沿着纵向活塞轴线限定的柱形外表面，柱形外表面具有第一轴向活塞?而和弟_■轴向活塞立而； 燃烧面，其设置在第二轴向活塞端处，燃烧面限定燃烧碗，燃烧碗具有内碗表面、内缘部分和外缘部分；和 燃烧面的截面轮廓，其包括围绕纵向活塞轴线的旋转轮廓，燃烧面的旋转轮廓包括: 第一轮廓，其包括对应于内碗表面并且由纵向活塞轴线平分的凸曲线段、在凸曲线段外侧的线性曲线段、以及在线性曲线段外侧并且对应于内缘部分的第一组凹曲线段，第一组凹曲线段限定第一曲率半径；和 在第一轮廓外侧的第二轮廓，其包括第二组凹曲线段，第二组凹曲线段对应于外缘部分并且限定大于第一组凹曲线段的第一曲率半径的第二曲率半径；和 燃料喷射器，其具有上方的燃料喷射器孔口组和下方的燃料喷射器孔口组并且能够将燃料喷束分别以第一角度和第二角度喷射到外缘部分和内缘部分。
9.根据权利要求8所述的发动机，其中，燃烧面的旋转轮廓包括从第一轮廓到第二轮廓的非凹入过渡。
10.根据权利要求8所述的发动机，其中，燃烧面的旋转轮廓还包括在第二轮廓外侧并且对应于邻近柱形外表面的燃烧面的外表面的第三轮廓。
11.根据权利要求10所述的发动机，其中，燃烧面的旋转轮廓还包括基本上垂直于纵向活塞轴线并且能够与燃烧面的第三轮廓和第二轮廓相交的水平轴线。
12.根据权利要求11所述的发动机，其中，凸曲线段与水平轴线相距预定距离，使得预定距离大于零。
13.根据权利要求8所述的发动机，其中，线性曲线段以与纵向活塞轴线成预定角度设置。
14.根据权利要求8所述的发动机，其中，第一轮廓包括从凸曲线段到第一组凹曲线段的连续过渡。
15.一种用于压燃式内燃发动机的活塞的燃烧面，燃烧面包括: 燃烧碗，其具有内碗表面、内缘部分和外缘部分；和 截面轮廓，其具有围绕纵向活塞轴线的旋转轮廓，旋转轮廓包括: 第一轮廓，其包括对应于内碗表面并且由纵向活塞轴线平分的凸曲线段、在凸曲线段外侧的线性曲线段、以及在线性曲线段外侧并且对应于内缘部分的第一组凹曲线段，第一组凹曲线段限定第一曲率半径；和 在第一轮廓外侧的第二轮廓，其包括第二组凹曲线段，第二组凹曲线段对应于外缘部分并且限定大于第一组凹曲线段的第一曲率半径的第二曲率半径。
16.根据权利要求15所述的燃烧面，其中，燃烧面的旋转轮廓包括从第一轮廓到第二轮廓的非凹入过渡。
17.根据权利要求15所述的燃烧面，其中，旋转轮廓还包括在第二轮廓外侧并且对应于邻近柱形外表面的燃烧面的外表面的第三轮廓。
18.根据权利要求17所述的燃烧面，其中，旋转轮廓还包括基本上垂直于纵向活塞轴线并且能够与第三轮廓和第二轮廓相交的水平轴线。
19.根据权利要求18所述的燃烧面，其中，凸曲线段与水平轴线相距预定距离，使得预定距离大于零。
20.根据权利要求15所述的燃烧面，其中，第一轮廓包括从凸曲线段到第一组凹曲线段的连续过渡。
【文档编号】F02B23/06GK104295398SQ201410341714
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2013年7月18日
【发明者】D·A·皮尔庞特, J·P·蒂蒙斯, M·B·格茨克, R·P·S·桑卡拉, R·萨布拉曼雅 申请人:电动内燃机公司