具有燃烧碗形状以平衡燃烧效率和排放性质的活塞的制作方法
【专利说明】具有燃烧碗形状从平衡燃烧效率和排放性质的活塞
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请案是2011年4月18日提交的美国专利申请案第13088659号的继续部分， 其请求于2010年4月20日提交的美国临时专利申请案第61/326, 161号的申请日的权益。
技术领域
[0003] 本发明总体设及用于压燃式内燃机中的类型的活塞，并且更具体地设及一种具有 弧形内边缘表面和在弧形内边缘表面与燃烧碗之间的突然过渡的活塞燃烧面。
【背景技术】
[0004] 多种操作策略和组件几何结构在内燃机领域是已知的。工程师用了数十年试验不 同的方法来操作燃料加注、排气、进气和其他发动机系统，W及不同的方法来设置发动机组 件的形状和比例。运种试验背后的一个动机已平衡了减少发动机排气口某些排放的通常的 竞争顾虑，W及优化效率。内燃机通常燃烧空气和碳氨化合物燃料。燃料和空气的燃烧产 生来自内燃机的排气，其可包括各种化合物和物质，例如烟灰、粉尘、未燃烧的碳氨化合物、 水、二氧化碳、一氧化碳和各种其他有机和无机物质。 阳0化]近年来，减少氮氧化物（统称为"NOx")的排放和减少一般包括烟灰和粉尘的颗粒 物已经成为了内燃机研究的特别关注点。遗憾的是，减少运些不需要的排气成分通常会W 降低效率性质（例如燃料效率和/或可达到的发动机速度或功率）为代价。如上所述，发 动机的组件形状和操作参数运些年来W几乎无数的方式变化。特别关注的一个领域设及尝 试将活塞燃烧面的成型为使得某种排气排放减少，而不会降低效率。
[0006] 一种设及减少排放而不会过分牺牲效率的常见活塞设计包括由活塞的燃烧面限 定的燃烧碗，所述燃烧面暴露于且限定发动机燃烧室的一部分。据信，在燃烧过程中，燃烧 碗可能影响气体和雾化液体燃料的流动和燃烧性质，使得燃烧产物的组成可针对不同目的 进行调整。如上所述，通常期望的是，减少NOx和颗粒物，而不过分影响燃烧效率。
[0007] 目前，尽管针对活塞燃烧碗进行了大量研究和商业设计，但是在燃烧过程中设及 碗形状或形状组合的燃烧学还未被充分了解。众所周知的是，即使对于燃烧碗几何结构做 出的相对小的修改可对燃烧产物的类型和相对比例产生显著影响。由于缺少足够了解，本 领域对于如何实现任何特定目标集合提供相对较少指导。工程师已经发现很多不同变量， 其知道运些变量将对排放和/或效率产生一些影响，但是运些变量W及其他因素的分组却 通常不会产生令人满意且可预测的结果。开发一种合适的设计通常需要数年的研究和开 发，包括充分应用、测试和领域分析。
【发明内容】
[0008] 在一个方面，提供了一种活塞，其用于在具有15:1至16:1的压缩比的直接喷 射压燃式内燃机中平衡燃烧效率与NOx产生和烟雾产生，其中所述发动机具有1或小于1 的满旋比，燃烧碗直径与气缸孔直径的比为0. 68到0. 74,并且其中燃料喷射喷雾角大于由 燃烧碗内的活塞的圆锥形突出部限定的锥角。活塞包括活塞体，其具有限定纵向活塞轴线 的外圆柱形表面；轴向活塞端，其包括限定复合燃烧碗的燃烧面；W及位于轴向活塞端且 从燃烧碗径向向外延伸至外圆柱形表面的复合边缘。复合燃烧碗包括位于圆锥形突出部上 的凸状内碗表面和凹状外碗表面，且所述复合边缘包括邻接外圆柱形表面的平坦外边缘表 面和邻接复合燃烧碗的凸状内边缘表面。锥角等于约135°或小于135°，凹状外碗表面限 定13mm至16mm的第一曲率半径，且凸状内碗表面与凹状外碗表面连续过渡。凸状内边缘表 面与凹状外碗表面在复合燃烧碗的边缘处突然过渡，且凸状内边缘表面限定40mm至70mm 的第二曲率半径，从而碗边缘从由平坦外边缘表面限定的平面轴向凹陷，使得当活塞处于 发动机中的上止点中屯、位置时，气体从裂缝被挤压，所述裂缝具有向外缩小的锥形且部分 地由气缸盖限定且部分由复合边缘限定。
[0009] 在另一个方面，提供一种活塞，其用于在直接喷射压燃式内燃机中平衡燃烧效率 与NOx产生和烟雾产生。活塞包括活塞体，其具有限定纵向活塞轴线的外圆柱形表面；轴向 活塞端，其包括限定复合燃烧碗的燃烧面；W及复合边缘，其位于轴向活塞端上且从燃烧碗 径向向外延伸至外圆柱形表面。复合燃烧碗包括凸状内碗表面，其位于圆锥形突出部上并 限定锥角，W及凹状外碗表面，其从内碗表面径向向外延伸并限定第一曲率半径。复合边缘 包括平坦外边缘表面，其邻接外圆柱形表面，W及凸状内边缘表面，其邻接复合燃烧碗并限 定第二曲率半径。凸状内碗表面与凹状外碗表面连续过渡，且凸状内边缘表面与凹状外碗 表面在复合燃烧碗的边缘处突然过渡。复合燃烧碗限定碗直径，且活塞体限定活塞体直径， 其大于碗直径的约33%。锥角为约135°或小于135°，第一曲率半径为13mm至16mm，且 第二曲率半径为40mm至70mm。
[0010] 在另一个方面，直接喷射压燃式内燃机包括发动机壳体，其限定具有138mm至 146mm的气缸孔直径的气缸孔且包括均与气缸孔流体连通的进气通道和排气通道，W及与 发动机壳体禪合的气缸盖。燃料喷射器安装在气缸盖中并配置成直接将燃料喷射到气缸孔 中，所述燃料喷射器具有限定喷射角的多个喷射孔。发动机还包括活塞，其用于在气缸中燃 烧燃料和空气的混合物期间平衡燃烧效率与NOx产生和烟雾产生。活塞包括活塞体，其具 有限定纵向活塞轴线的外圆柱形表面，及轴向活塞端，其包括限定复合燃烧碗的燃烧面，且 其中燃烧碗的直径与气缸孔的直径的比为0. 68至0. 74。活塞进一步包括在燃烧碗内的圆 锥形突出部，和在径向向外方向上从燃烧碗延伸至外圆柱形表面的复合边缘。燃烧碗包括 位于圆锥形突出部上的凸状内碗表面和凹状外碗表面，且复合边缘包括邻接外圆柱形表面 的平坦外边缘表面和邻接燃烧碗的凸状内边缘表面。圆锥形突出部限定锥角，所述锥角小 于喷射角且约为135°或小于135°，凹状外碗表面限定13mm至16mm的第一曲率半径，且 凸状内碗表面与凹状外碗表面连续过渡。凸状内边缘表面与凹状外碗表面在燃烧碗的边缘 处突然过渡，且凸状内边缘表面限定40mm至70mm的第二曲率半径，使得当活塞处于上止点 中屯、位置处时，具有在径向向外方向上缩小的锥形的裂缝部分由气缸盖限定且部分由复合 边缘限定。
【附图说明】
[0011] 图1是根据一个实施例的具有活塞的压燃式内燃机的侧剖视示意图；
[0012] 图2是由图1的活塞的外表面限定的轮廓的侧面示意图；
[0013] 图3是图2所示的轮廓的一部分的详细示意图；
[0014] 图4是示出了根据本发明的压燃式内燃机的某些几何参数的图表；
[0015] 图5a是图示了对于斜面边缘活塞和弧形边缘活塞的NOx与AVL烟雾的权衡的曲 线图；
[0016] 图化是图示了对于斜面边缘活塞和弧形边缘活塞的NOx与BSFC的权衡的曲线 图； 阳017] 图6a是图示了对于竖直碗状活塞和凹角碗状活塞的NOx与A化烟的权衡的曲线 图；
[0018] 图化是图示了对于竖直碗状活塞和凹角碗状活塞的NOx与BSFC的权衡的曲线 图；
[0019] 图7a是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖视不意图；
[0020] 图化是类似于图7a的侧剖视示意图，其指示额外几何属性且包括详细放大部 分；
[0021] 图8是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖视示意图，且包括详细放大部分；
[0022] 图9是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖视示意图，且包括详细放大部分；
[0023] 图10是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖视示意图，且包括详细放大部分；
[0024] 图11是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖视示意图，且包括详细放大部分； [00巧]图12是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖视示意图，且包括详细放大部分； [00%] 图13是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖视示意图，且包括详细放大部分；
[0027] 图14是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖视示意图，且包括详细放大部分；
[0028] 图15是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖视示意图，且包括详细放大部分； 及
[0029] 图16是根据一个实施例的具有活塞的压燃式内燃机的侧剖示意视图。
【具体实施方式】
[0030] 参考图1，示出了根据一个实施例的发动机10。发动机10可W包括直接喷射压燃 式内燃机，例如柴油发动机。发动机10可W进一步包括发动机壳体12或发动机组、与发动 机壳体12禪合的气缸盖14,W及经设置W在由发动机壳体12限定的气缸15内往复运动的 活塞18。进气通道70与气缸15流体连通且配置成向气缸15供给空气，且排气通道72也 与气缸15流体连通并将燃烧产物传送到气缸15的外面。进气阀和排气阀在图1中均未示 出，但通常将W常规方式提供。排气再循环回路74可W连接到通道70和72，且内部设置有 排气再循环控制阀76和排气冷却器78。从W下描述将进一步显而易见的是，活塞18可W 独特地配置成使与活塞18相关联的燃烧效率性质与活塞18相关联的排放性质平衡。特别 地，活塞18可W包括多个尺寸、比例和形状属性，使得发动机10在操作过程中产生相对较 低含量的氮氧化合物（NOx)和相对较低含量的颗粒物。本领域的技术人员将认识到，内燃 机，且尤其是柴油发动机，在操作过程中可W产生各种类型的颗粒物。运种颗粒物在本文中 通常称作"烟雾"，但该术语在本文中并不W任何限制方式使用。本文中对发动机10和活塞 18的描述应当理解为通常适用于本文所涵盖的所有发动机和活塞，另有指示的除外。
[0031] 活塞18可W包括活塞体20,所述活塞体20包括外