发动机及活塞的制作方法

本实用新型总体涉及内燃机，尤其是天然气发动机。

背景技术：

内燃机众所周知。那些使用汽油作为燃料的内燃机通常采用多个汽缸，其压缩汽油和空气混合物，使得在与每个汽缸相关联的火花塞点火时，点燃压缩混合物。由点火产生的膨胀的燃烧气体使活塞在汽缸内运动。当到达汽缸内一个方向上行程的末端时，活塞反转方向以压缩另一汽油和空气混合物的体积。运动活塞所产生的能量可以且已被利用用于无数应用中，其中最主要的是车辆的推进。

另一种类型的内燃机使用天然气作为燃料源。例如，已知提供一种压缩天然气发动机，其中活塞在汽缸内往复运动。火花塞定位在与每个汽缸相关联的汽缸盖内，并且每个相应的火花塞由定时回路控制，使得当活塞接近到达其压缩冲程的上止点时，火花塞点火，从而点燃压缩混合物。

在其它类型的内燃机中，预燃室与天然气发动机结合使用。预燃室与天然气发动机的每个汽缸相关联，并且设置有火花塞以在预燃室中开始燃烧，然后可以将其连通到主燃烧室。

一些发动机可具有不同形状的活塞以增强燃烧。在Hayes Jr.的美国专利公布No.2010/0326400公开了这种燃烧系统的一个示例。美国专利公布No.2010/0326400中的系统包括具有预燃室的燃烧系统，所述预燃室适于以产生高效燃烧过程的方式与活塞协作。预燃室具有通道，所述通道具有相对于预燃室主体的中心线可变的横截面和可变的角方位。活塞设置有多个有助于燃料和空气在燃烧室内流动的表面。此外，活塞表面通常与燃烧室的角度对准，例如进气阀和排气阀的角度。活塞还具有适于与预燃室的尖端配合的表面。

以提高发动机效率和/或减少排放的要求，特别是鉴于增加的燃料成本和对发动机排放的更严格的规定，经常期望有任意特定发动机设计的改进。因此，需要改良的发动机系统。

技术实现要素：

在一个方面，本实用新型提供了一种括发动机，所述发动机包括具有至少一个汽缸膛的发动机缸体，具有设置在汽缸膛一端的火焰板表面的汽缸盖，配置在汽缸膛内往复运动的活塞，活塞具有面向火焰板表面的活塞顶部，使得主燃烧室限定在汽缸膛内并且位于活塞顶部和火焰板表面之间，活塞顶部还包括具有大致凹形形状的活塞碗，以及预燃室具有配置成与所述主燃烧室流体连通的喷嘴尖端，所述喷嘴尖端具有配置成将燃料射流喷射到所述主燃烧室中的至少一个喷嘴开口，其中所述活塞包括围绕所述活塞碗的圆周定位的活塞壁，所述活塞壁包括至少一个腔，所述至少一个腔具有与所述活塞碗流体连通的入口。

所述至少一个腔包括与所述主燃烧室流体连通的出口。

所述至少一个喷嘴开口配置成沿着燃料射流中心线喷射所述燃料射流。

所述至少一个腔包括大致圆形的横截面并且相对于所述汽缸膛沿径向延伸。

所述至少一个腔的所述入口与所述至少一个喷嘴开口对准，使得所述燃料射流中心线在所述至少一个喷嘴开口和所述至少一个腔的所述入口之间延伸，其中所述出口位于所述活塞的活塞顶部上，并且其中所述至少一个腔的所述出口具有多个腔喷嘴。

所述多个腔喷嘴中的两个配置为在垂直于来自所述预燃室的燃料射流的中心线的方向上分别喷射第一和第二腔燃料射流，并且其中所述多个腔喷嘴中的另一个配置为在垂直于所述第一腔燃料射流的中心线的方向上喷射第三腔燃料射流。

所述至少一个腔相对于所述汽缸膛在径向方向上延伸穿过所述活塞壁，使得所述出口位于所述活塞的外表面上。

所述至少一个腔的横截面形状在所述入口和所述出口之间是恒定的。

所述至少一个腔的横截面形状在所述入口和所述出口之间是变化的。

在另一方面，本实用新型提供了一种活塞，所述活塞用于发动机，其包括：主体部分，其具有大致圆柱形形状，并且被配置成在发动机的汽缸膛内往复运动，以及顶部，其联接到主体部分，所述顶部还包括具有大致凹形形状的活塞碗，其中所述活塞包括围绕所述活塞碗的圆周定位的活塞壁，所述活塞壁包括至少一个腔，所述至少一个腔具有与所述活塞碗流体连通的入口。

在另一方面，本实用新型提供了一种燃烧系统的操作方法，包括以下步骤：使活塞在发动机的汽缸膛内往复运动，所述活塞具有面向汽缸盖的火焰板表面的活塞顶部，使得主燃烧室限定在汽缸膛内并且位于活塞顶部和火焰板表面之间，活塞顶部还包括具有大致凹形形状的活塞碗，其中活塞包括围绕活塞碗的圆周定位的活塞壁，所述活塞壁包括至少一个腔，所述至少一个腔具有与所述活塞碗流体连通的入口，将燃料射流从预燃室的喷嘴尖端沿着燃料射流中心线喷射到主燃烧室中并且将所述燃料射流至少部分地引导到所述至少一个腔中。

在燃烧膨胀作功过程中，燃料通过尖端中的喷嘴开口喷射。每个喷嘴开口可产生燃料射流，充分扩散开并燃烧主燃烧室中的燃料和空气混合物。燃料射流能够点燃腔中的燃料和空气混合物，使燃料射流充分扩散并进一步燃烧主燃烧室中的燃料和空气混合物。这可使主燃烧室比如果不具有腔时燃烧的更加充分完全，提高了发动机效率并减少排放。

从以下详细描述和附图中将理解所公开原理的其他和可替代方面及特征。如将理解的，本文公开的发动机及活塞、气体燃料系统，多点点火燃气机系统及方法能够在其他和不同方面进行实施，并且能够在各方面进行修改。因此，应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都仅是示例性和说明性的，而不是限制所附权利要求的范围。

附图说明

图1为示出根据本实用新型的一方面的发动机燃烧室的横截面。

图2为示出根据本实用新型的另一方面的发动机活塞和预燃室的等距俯视图。

图3为示出根据本实用新型的另一方面的发动机活塞和预燃室的俯视图。

图4为示出根据本实用新型的另一方面的发动机活塞和预燃室的俯视图。

图5为示出根据本实用新型原理的燃烧系统的操作方法的步骤的流程图。

图6为示出根据本实用新型的另一方面的发动机活塞的横截面。

图7为示出根据本实用新型的另一方面的发动机活塞的横截面。

图8为示出根据本实用新型的另一方面的发动机活塞的等距俯视图。

图9是表示用于产生活塞的三维模型的系统的示意图。

具体实施方式

通过参考本实用新型的以下具体实施方式和其中包括的实施例，可以更容易地理解本实用新型。

在公开和描述本实用新型的化合物、组合物、制品、系统、装置和/或方法之前，应当理解，除非另有说明，否则它们不限于特定的合成方法，或特定的试剂，因此当然可以变化。还应当理解，本文使用的术语旨在描述特定方面，而非意图限制性。

本实用新型中包括本实用新型的元件的各种组合，例如，从属于相同独立权利要求的从属权利要求的元件的组合。

还应当理解，本文所使用的术语仅用于描述特定方面的目的，而不意在限制。如本说明书和权利要求书中所使用的，术语“包括”可包括“由……组成”和“基本上由……组成”的实施方式。除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语与本实用新型所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。在本说明书和随后的权利要求书中，将参考本文中定义的多个术语。

本文公开的每种材料可商购获得和/或其生产方法是本领域技术人员已知的。应当理解，本文公开的组合物具有某些功能。本文公开了用于执行所公开的功能的某些结构参数，并且应当理解，存在可以执行与所公开结构相关的功能相同的各种结构，并且这些结构通常将获得相同的结果。

诸如大缸径贫燃发动机的天然气发动机可具有不稳定燃烧问题，例如当燃料用过量的空气燃烧时或当制动平均有效压力（BMEP）增加时的失火。为了改善燃烧稳定性、速度、效率和减少排放，可能期望燃料在燃烧室中燃烧更完全。

本实用新型的一个示例性方面提供了一种多点分布式点火系统，其可以将从单个预燃室或多炬火花塞出来的燃烧羽焰或喷焰增强为通过位于活塞顶部中的较小室的朝向汽缸壁的多个分布式燃烧源。这些多个燃烧源或燃烧点可以引发新的燃烧羽焰，其可以从汽缸壁处或附近朝向汽缸的中心以及其他方向行进，以提供更加充分完全的燃烧。这种燃烧系统可以提高燃烧的速度、稳定性和效率，同时减少未燃烧的碳氢化合物（UHC）和氮氧化物（NOx）。

现在参考附图，其中相同的附图标记表示相同的元件，附图示出了燃烧系统的操作系统和操作方法。本文所述的任何数值仅作为示例给出。在其他方面，可以使用其他值，并且可以以适于应用的任何方式来改变值。

图1示出了根据本实用新型的一个方面的发动机燃烧室的横截面。如图1所示，发动机10的燃烧系统100可以包括具有至少一个汽缸膛102的发动机缸体104。燃烧系统100也可以称为多点点火系统。在一方面，燃烧系统100的主燃烧室101可具有限定在形成于曲轴箱或发动机缸体104内的汽缸膛102内的大致圆柱形形状。汽缸盖108可包括火焰板表面106，火焰板表面106设置在汽缸膛102的一端。活塞112可被配置成在汽缸膛102内往复运动，其中活塞112可具有面向火焰板表面106的活塞顶部110，使得主燃烧室101限定在汽缸膛102内，并位于活塞顶部110和火焰板表面106之间。活塞顶部110还可以包括活塞碗103。在一方面，活塞碗103可以具有大致凹形的形状。预燃室114可具有设置成与主燃烧室101流体连通的喷嘴尖端121。喷嘴尖端121可在主燃烧室101内突出穿过火焰板表面106，并且可具有至少一个喷嘴开口127，其被配置成将燃料射流118喷射到主燃烧室101中。在一方面，可将主燃烧室101一端进一步由汽缸盖108的火焰板表面106限定，并且另一端由活塞112的活塞顶部110限定，将所述活塞112设置成在汽缸腔102内往复运动。预燃室114可以与燃料入口115流体连通，并且可以安装在汽缸盖108中。

活塞112可包括围绕活塞碗103的圆周定位的活塞壁112a，活塞壁112a可包括至少一个腔116，其中腔116可具有与活塞碗103流体连通的入口116a 。图1中示出了两个腔116，但是在其它方面，活塞112可以包括一个或任意数量的腔116。在一方面，入口116a可以是活塞碗103和腔116之间的开口，燃料射流118可以点燃腔116中的燃料和空气混合物。在一个方面，每个腔116可以包括与活塞碗103和主燃烧室101流体连通的出口116b。出口116b可以是在腔116的端部中的单个开口，或者出口116b可以是具有腔喷嘴129a（图3）的盖129。在一些方面，盖129可以是平坦的，使得盖129与活塞顶部110处于相同的平面中，而在其他方面中，盖129可以以凸形弯曲，使得盖129在朝向汽缸盖108的火焰板表面106的方向上向外延伸。在某些方面，腔116可具有大致圆形的横截面并且相对于汽缸膛102在径向方向上延伸。腔116可以隔着活塞碗103彼此相对地定位。在一些方面，腔116的入口116a可以与喷嘴开口127基本对准，使得燃料射流118的中心线在喷嘴开口127和腔116的入口116a之间延伸。

如图1所示，出口116b可以位于活塞顶部110或活塞112的顶面上。在另一方面，腔116可以相对于汽缸膛102沿径向延伸穿过活塞壁112a，使得出口116b可以位于活塞112的外表面112b上。出口116b可以具有包括多个腔喷嘴129a的腔尖端或盖129。腔喷嘴129a可以在任意方向上延伸，以将燃料射流118从腔116引导到主燃烧室101中。如图1所示方面中，腔116在入口和出口之间是弯曲的。在另一方面，腔116在入口和出口之间可以是直的。腔116的直径在入口116a和出口116b之间可以是恒定的。在其他方面，腔116可以具有可变的直径，例如，入口116a的直径可以大于出口116b的直径。在另一方面，入口116a的直径可以小于出口116b的直径。在一些方面，腔116的横截面形状在入口116a和出口116b之间可以是恒定的。在其它方面，腔116的横截面形状在入口116a和出口116b之间可以变化。

在发动机10运行期间，当在进气冲程期间一个或多个进气阀123（示出一个）打开时，空气可以经由入口通道120进入主燃烧室101。入口通道120可以向主燃烧室101提供空气和燃料混合物。预燃室114中的燃料和空气混合物可以由预燃室中的火花塞或其它点火装置（未示出）点燃。当点燃时，燃料通过尖端121中的喷嘴开口127喷射。每个喷嘴开口127可产生燃料射流118，其大体分散开并点燃主燃烧室101中的燃料和空气混合物。燃料射流118也可点燃腔116中的燃料和空气混合物，使燃料射流118a（图3和图4）分散并进一步点燃主燃烧室101中的燃料和空气混合物。这可使主燃烧室中的燃烧比如果不包含腔116时更充分完全，因为其包含更多的燃料射流118并且燃料射流118在主燃烧室101中沿多个方向延伸。在燃烧之后，当一个或多个排气阀125（示出一个）在排气冲程期间打开时，废气可以通过排气管道122从燃烧室排出。

现在参考图2-图4，活塞212可包括围绕活塞碗103的圆周定位的活塞壁212a，活塞壁212a可包括至少一个腔116，其中腔116可具有与活塞碗103流体连通的入口116a。在图2中，示出了三个腔116，其中腔116围绕活塞碗103彼此径向间隔开相等的距离。在其他方面，活塞212可以包括一个或任意数量的腔116。在一个方面，入口116a可以是活塞碗103和腔116之间的开口，使得燃料射流118可以点燃腔116中的燃料和空气混合物。腔116还可以包括与活塞碗103和主燃烧室101流体连通的出口116b。在某些方面，腔116的入口116a可以与喷嘴开口127基本对准，使得燃料射流118的中心线在喷嘴开口127之间朝向腔116的入口116a延伸。在一些方面，腔116可具有大致管状形状并且在朝向活塞壁212a的方向上延伸。

在某些方面，喷嘴开口127被配置成沿燃料射流中心线128喷射燃料射流118。如图3所示，腔喷嘴129a可以配置成在基本上垂直于预燃室燃料射流118的中心线128的方向上喷射第一腔燃料射流118a，并且在基本上垂直于预燃室燃料射流118的中心线128的方向上喷射第二腔燃料射流118b，并且第二腔燃料射流118b在与第一腔燃料射流118a分别在出口116b的相对侧上。在另一方面，腔喷嘴129a可配置成沿基本上垂直于第一腔燃料射流118a的中心线128a的方向朝向预燃室114喷射另一腔燃料射流118c（图4）。在一些方面，如图4所示，例如，燃料射流118可以被引导到除入口116a之外的位置，例如在腔116之间。在其他方面，一些燃料射流118可以被引导到入口116a，并且其他燃料射流118可以被引导到入口116a以外的位置，如图3所示。图5是示出燃烧系统100的操作方法的步骤的流程图，在下面的工业适用性部分中进一步详细讨论。

现在参考图6-图8，示出了发动机燃烧室的可替代方面。活塞312类似于上述活塞112，除了活塞312可包括腔316，腔316包括位于活塞碗303中的入口316a和位于活塞外表面312b上的出口316b。腔316可以相对于汽缸膛102径向延伸穿过活塞壁312a，使得出口316b可以位于活塞312的外表面312b上，使得出口316b被被配置成将燃料射流118a喷射进入活塞壁312a和汽缸膛102之间的间隙317中。在一些方面，可围绕活塞312的外表面312b上的圆周形成活塞环319，使得在活塞312的外表面312b和汽缸膛102之间形成间隙317，使得燃料射流118a可以点燃间隙317中的燃料和空气混合物，以确保燃料和空气混合物在汽缸膛102中更加充分完全的燃烧。

工业实用性

本文说明了使用气体燃料的发动机及活塞的设计，燃烧系统的方面和燃烧系统的操作方法。根据前面的讨论将容易地理解根据本实用新型的原理构建方面的工业实用性。所说明的原理适用于发动机的多个方面，并且在包含发动机的多种机器中具有适用性。

所公开的燃烧系统的操作系统和方法可适用于包含汽缸的发动机的任何应用。本实用新型的燃烧系统的操作系统和方法可以用在例如独立的发动机中或者可以联接到机器的发动机（未示出）中。在一些方面，机器可以是“行驶的”车辆，例如卡车，或者可以是执行与诸如采矿、建筑、农业、运输等行业或本领域已知的任何其它工业相关联的某种类型操作的任何其他类型的机器。例如，机器可以是非公路卡车、运土机械，诸如自动倾卸卡车、挖掘机、前装载机等。

图5是示出根据本实用新型原理的燃烧系统的操作方法的步骤流程图。在某些方面，图5所示的燃烧系统100的操作方法500可以包括在发动机10的汽缸膛102内往复运动或移动活塞112的步骤502。活塞112可包括面向汽缸盖108的火焰板表面106的活塞顶部110，主燃烧室101可以限定在汽缸膛102内并且在活塞顶部110和火焰板表面106之间。活塞顶部110还可以包括具有大致凹形形状的活塞碗103，其中活塞112包括围绕活塞碗103圆周定位的活塞壁112a。活塞壁112a可包括至少一个腔116，其中至少一个腔116可具有与活塞碗103流体连通的入口116a。在步骤504中，燃料射流118可以从预燃室114的喷嘴尖端121沿燃料射流中心线128喷射到主燃烧室101中。在步骤506中，燃料射流118可以至少部分地被引导到至少一个腔116中，其中至少一个腔116可具有大致圆形的横截面。方法500可以进一步包括步骤508：在基本上垂直于预燃室燃料射流118的中心线128的方向上将第一腔燃料射流118a从至少一个腔116的出口116b的多个腔喷嘴129a中的一个喷射进入主燃烧室101。

所公开的活塞112可以使用常规技术制造，例如铸造或模制。可选地，所公开的活塞112可使用通常称为附加制造或附加预制的常规技术制造。已知的附加制造/预制工艺包括诸如例如3D打印的技术。3D打印是一种工艺，其中材料可以在计算机的控制下沉积在连续层中。计算机控制附加预制设备以根据三维模型（例如，诸如AMF或STL文件的数字文件）来沉积连续层，模型被配置为转换成多个切片，例如基本上二维切片，每个限定活塞112的横截面层，以便制造或预制活塞112。在一种情况下，所公开的活塞112可是原始部件，并且3D打印工艺将用于制造活塞112。在其他情况下，3D工艺可以用于复制现有的活塞112，并且所复制的活塞112可以作为售后部件出售。这些复制的售后活塞112可以是原始活塞112的精确副本或仅在非关键方面有所不同的伪副本。

参考图9，用于表示原始活塞112的三维模型1001可以在计算机可读存储介质1002上，例如包括软盘、硬盘或磁带的磁存储器；诸如固态盘（SSD）或闪存的半导体存储器；光盘存储；磁光盘存储；或可以存储由至少一个处理器可读的信息或数据的任何其它类型的物理存储器。所述存储介质可以与可商购的3D打印机1006结合使用以制造或预制活塞112。可选地，三维模型可以以流传输方式电子传输到3D打印机1006，而不是永久地存储在3D打印机1006的位置。在任一种情况下，三维模型构成适用于制造活塞112的活塞112的数字表示。

三维模型可以以多种已知方式形成。一般来说，通过将表示活塞112的数据1003输入到计算机或诸如基于云的软件操作系统的处理器1004来创建三维模型。然后，数据可以用作代表物理活塞112的三维模型。三维模型旨在适于制造活塞112的目的。在示例性实施例中，三维模型适合于通过附加制造技术制造活塞112的目的。

在图9所示的一个实施例中，可以利用3D扫描仪1005实现数据的输入。所述方法可以包括经由接触和数据接收装置接触活塞112并且从接触接收数据以便生成三维模型。例如，3D扫描仪1005可以是接触型扫描仪。扫描的数据可以被导入3D建模软件程序以制备数字数据集。在一个实施例中，可以通过使用坐标测量机的直接物理接触来进行接触，坐标测量机通过使探针与活塞112的表面接触来测量活塞112的物理结构，以便产生三维模型。在其它实施例中，3D扫描仪1005可以是非接触型扫描器，并且所述方法可以包括将投射能量（例如光或超声波）引导到活塞112上以被复制并接收反射的能量。从所述反射能量，计算机将产生用于制造活塞112的计算机可读三维模型。在各种实施例中，多个2D图像可用于创建三维模型。例如，可以组合3D对象的2D切片以创建三维模型。代替3D扫描仪，可以使用计算机辅助设计（CAD）软件来完成数据的输入。在这种情况下，可以通过使用CAD软件生成所公开的活塞112的虚拟3D模型来形成三维模型。将从CAD虚拟3D模型生成三维模型，以制造活塞112。

用于形成所公开的活塞112的附加制造工艺可涉及诸如塑料、橡胶、金属等的材料。在一些实施例中，可以执行附加工艺以产生成品。这样的附加工艺可以包括例如清洗、淬火、热处理、材料去除和抛光中的一种或多种。除了这些确认的工艺之外或代替这些确认的工艺，可以执行完成成品所需的其它工艺。应当理解，前面的描述提供了所公开的系统和技术的示例。然而，可以预期的是，本实用新型的其他实现可以在细节上与前述示例不同。对本实用新型或其示例的所有参考旨在参考在所述点讨论的特定示例，不应隐含任何限制，而本实用新型的范围更宽泛。关于某些特征的区别和贬意性的所有语言意在指示对这些特征缺乏偏好，但是不将其完全排除在本实用新型的范围之外，除非另有说明。

除非本文另有说明，否则本文中数值范围的列举仅旨在用作分别指每个单独值落入所述范围内的的简要方法，并且每个单独的值被并入说明书中，如同其被本文单独记载。除非本文另有说明或上下文明显矛盾，否则本文所述的所有方法可以以任何合适的顺序进行。

在本文件与通过引用并入的任何文档之间用法不一致的情况下，本文件中的用法为准。

在本文中，如在专利文献中常见的，使用术语“一个”来包括一个或多于一个，与“至少一个”或“一个”的任何其它示例或用法无关。除非另有说明，在本文中，术语“或”用于指非排他性的，或者使得“A或B”包括“A但不是B”、“B但不是A”和“A和B”。在本文中，术语“包含”和“其中”可用来替代相应术语“包括”和“在其中”的简单英语。此外，在所附权利要求中，术语“包括”和“包含”是开放式的，即，除了在权利要求中所列出的这样术语之外，包含元件的系统、装置、产品、组合物、制剂或工艺仍被认为落入所述权利要求的范围内。此外，在所附权利要求中，术语“第一”，“第二”和“第三”等仅用作标记，并且不旨在对其对象施加数字要求。

本文描述的方法示例至少部分可以由机器或计算机执行的。一些示例可以包括用可操作的指令编码的计算机可读介质或机器可读介质，以将电子设备配置为执行如上述示例中所描述的方法。这样的方法的执行可以包括代码，诸如微代码、汇编语言代码、更高级语言代码等。这样的代码可以包括用于执行各种方法的计算机可读指令。代码可以形成计算机程序产品的部分。此外，在示例中，例如在执行期间或在其他时间，代码可以有形地存储在一个或多个易失性、非暂时性或非易失性有形计算机可读介质上。这些有形计算机可读介质的示例可以包括但不限于硬盘、可移动磁盘、可移动光盘（例如，光盘和数字视频盘）、磁带盒、存储卡或棒、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）等。

以上描述旨在是说明性的，而不是限制性的。例如，上述示例（或其一个或多个示例）可以彼此组合使用。例如由本领域的普通技术人员在阅读上述描述之后可以使用其他示例。提供摘要以符合规范要求，以使读者快速确定本技术公开的性质。提交时应理解，其不用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在以上具体实施方式中，各种特征可以组合在一起以简化本实用新型。这不应解释为，一个未要求的公开特征对于任何权利要求都是必须的。相反，发明主题可以在于所公开的特定示例的所有特征要少。因此，以下权利要求在此作为方面或示例并入具体实施方式中，其中每个权利要求作为单独的示例，并且预期这样的示例可以以各种组合或排列彼此组合。本实用新型的范围应当参考所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定。