专利名称：：低排放柴油机活塞的制作方法
技术领域：
：本发明涉及具有改良的燃烧凹窝(combustionbowl)构型的柴油机活塞。
背景技术：
：在涉及柴油机机车的领域已知，为了降低排放，未来的政府排放条例需要改进机车设计以符合或者超过这些条例。例如，增强的空气系统设计可以提供更高的冷却EGR(废气再循环)速率，从而降低N0x排放，同时增强的燃料喷射系统可以降低使用更高EGR速率所导致的不可避免的较高烟灰排放。并且，合并的烟灰和NOx排放后处理系统可以降低柴油机机车的排放。然而，废气后处理系统可能时非常昂贵的，因此，不是实现排放降低的最合意方法。与此相对应，燃烧系统设计的进步可以降低排放，同时最小化对昂贵和未证实的柴油机排气后处理系统的需求。此外，燃料经济性、尾气排放和柴油机燃烧系统的性能可以通过机车活塞的设计以及燃料喷射和通风设备(例如，涡轮换气、EGR系统等等)的选择得到显著实现。因此，柴油机活塞设计的改进可以有利地导致降低的排放，同时不会产生显著的成本增加。
发明内容本发明提供改良的柴油机燃烧凹窝设计，其使得燃烧产物与气缸内可利用的过量空气得到了增强的混合，同时降低了烟灰和N(X排放。更特别而言，本发明提供了具有改良凹窝设计的活塞，与先前燃烧凹窝设计相比，所述凹窝设计略微深和凹腔较小。所迷改良的凹窝设计导致了NOx气体形成的降低。本发明还实现了烟灰(即，颗粒物质)与N0x排放以及燃料消耗与N0x排放的优良平衡。在一种实施方案中，机车活塞具有冠部和限定在x-y-z坐标空间内的三维形状。z-轴通常限定活塞的气缸轴，和平面z=0通常与冠部的上边沿相交。活塞包括在冠部中开槽的燃烧凹窝。燃烧凹窝具有在z-轴上的中心点，和具有由在x-y-z坐标空间内连接坐标点(Xi，Yi,ZJ的周向线限定的部分二维截面构型，其中坐标点包括坐标集内的点。燃烧凹窝具有通过关于z-轴旋转周向线360。而限定的三维轴对称构造。在另一实施方案中，燃烧凹窝可以具有连接来源于坐标集内(Xi,yi，Zi)坐冲示点的x—y—z坐标空间内的坐才示点(aXi土abiXi,ayi士ac;yi,aZi土adiZi)限定的部分二维截面构造。变量"a"表示比例因子，变量"bi"、"Ci，，和"di"表示基于设备限制因素和材料耐用性限制因素的误差因子。在任一上述实施方案中，冠部上边沿之间的燃烧室周向线的边缘部分可以具有l.5，a毫米和2.5*&毫米的曲度，在第一实施方案中"a"等于l。通过以下本发明某些具体实施方案说明结合附图，本发明的这些和其他特征以及本发明优点将会得到更充分地理解。图1是设置在机车气缸孔内的现有技术活塞的侧面剖视图；图2是图解根据本发明的活塞凹窝线性截面构型的二维视图；图3是比较图2活塞凹窝构型与现有技术活塞凹窝构型的二维图形；图4是图解说明根据本发明活塞凹窝的另一实施方案的二维图形；和图5是比较图2的活塞凹窝构型与已经通过因子缩小尺寸的根据本发明的另一活塞凹窝的二维图形。具体实施方式12的已知柴油机。现有技术活塞16在气缸12内沿中心轴18可以往复运动。活塞16通常具有中心定位于轴18上的圆柱形构造，并且包括冠部具有通常平面的从侧壁27上向内延伸并且通常限定活塞16的顶部的上边沿26。圓形燃烧凹窝28在冠部边沿24内的冠部20上开槽并且中心定位于中心轴18上。从燃料喷射器(未显示)中喷射的燃料从中心轴18喷出，朝向燃烧凹窝28的边缘。本发明涉及用于代替现有技术活塞16中所示的凹窝28的燃烧凹窝的改良构型。参考图2，根据本发明的活塞30包括冠部31,并且具有限定在x-y-z坐标空间内的三维形状。坐标空间中的z-轴通常限定活塞30的中心圆柱轴32。坐标空间内的平面z=0通常相交冠部上边沿34。所述活塞30包括燃烧凹窝36。燃烧凹窝36的中心点38位于z-轴上。燃烧凹窝36是轴对称的(关于z-轴)，并且在x-y-z坐标空间内，具有由连接坐标点(x,,yi，zj的周向线40限定的部分二维相交构型。示于图2中的二维图形为位于平面y=O内的x-z栅格。有序变量"i"表示ln的整数，"n"为沿周向线40的全部坐标点数值。换言之，沿周向线40的坐标点包括点(x，y，Zi)，(x2，y2，z2)，…，(xn,yn,zn)。沿周向线40的坐标点(Xi,yi,Zi)包括列于限定坐标集S的下表中的坐标点。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>1344.80170.0000-8.02911354.40960.0000-7.9427H64.02630.0000-7.86511373.65050.0000-7.79581383,28110.0000-7.73441392.91660.0000-7.68031402.55580.0000-7.63331412.19720.0000-7.59311421.83940.0000-7.55931431.48060.0000-7.53191441.11920.0000-7.51061450.75340.0000-7.49541460.38110.0000-7.48621470,00000.0000-7.4832坐标点(Xi,yi，z,)的值表示长度，单位为毫米。例如，坐标(28.9533,0.0000，-1.1371)表示在x-y-z坐标点空间内，x-方向为+28.9533mm，y-方向为O.0000mm,和z—方向为-1.1371mm的点。由周向线40所表明的凹窝设计是轴对称的，因此，为了图解说明凹窝设计的形状，仅仅需要显示z-轴右侧或者左侧的凹窝36的构型。例如，在图2中，显示了z-轴右侧的燃烧凹窝36的构型。通过关于z-轴旋转周向线40360度，可以获得燃烧凹窝36的三维构型。从图2中可以看出，燃烧凹窝36的外部宽度(或者直径)通常围绕60毫米的近似值变化，和其深度通常为大约7.5~17毫米。此外，如图2中所示，在具体实施方案中，冠部31的侧壁41的半径为大约50.979毫米。相应地，在该实施方案中，容纳活塞30的气缸孔的直径大约为103毫米。如图3所示，本发明燃烧凹窝36和现有技术燃烧凹窝28的构型的对比说明，与现有技术相比，本发明燃烧凹窝构型较深并且凹腔较小。本发明燃烧凹窝36由周向线40表示，而现有技术燃烧凹窝28由周向线42表示。本发明燃烧凹窝36的这些设计特征提供了降低的烟灰和N(X排放，同时还降低了燃料消耗，如下所详述。方案中，通常设置在坐标点(30.4087，0，O)和(28.9087,0，-1.5000)之间的凹窝136的周向线140的边缘部分144的曲率半径R可以为1.5毫米~2.5毫米。燃烧凹窝136另外具有与图2和以上所述的燃烧凹窝36的相同特征。换言之，与冠部131的上边沿134相邻的燃烧凹窝136的边缘144可以以比图2实施方案更急剧或者柔和的半径成圆，这不会消极地影响燃烧凹窝136的性能。如图5中所示，坐标点(Xi,y,,z,)可以乘以因子"a，，，从而使得，在源于以上表l的(x。yi，zj坐标点的x-y-z坐标空间内，根据本发明的燃烧凹窝236具有由连接坐标点(ax;,ayi,az;)的二维周向线240所限定的截面轴对称构型。因子"a"可以为大于零的任何值的实数。优选因子"a"的值在大约O.52的范围内。实际上，燃烧凹窝构型236是燃烧凹窝36的比例形式(放大或者缩小)，并且在所有其它方面都等同于燃烧凹窝36。燃烧凹窝236具有与燃烧凹窝36相同的构型，但是取决于因子"a"的值，可能小于或者大于燃烧凹窝36。例如，如果因子"a，，等于O.5,那么燃烧凹窝236的尺寸为燃烧凹窝36的尺寸的一半。类似地，如果因子"a"等于2,那么燃烧凹窝236的尺寸为燃烧凹窝36的尺寸的两倍。在因子"a，，等于l的情形中，燃烧凹窝236等同于燃烧凹窝36。并且，虽然未显示，但是，在该实施方案中，通常设置在坐才示点(30.4087*a,0,0)禾口(28.9087*a,0，—1.5000*a)之间的凹窝236的周向线240的边纟彖部分可以具有1.5*&毫米~2.5*&毫米之间的曲率半径a，R。该特4正类似于图4实施方案的特征。此外，虽然在附图中未显示，但是由于制造和耐用性限制因素所产生的燃烧凹窝36构型的微小变体同样在本发明的范围内。因此，才艮据本发明的燃烧凹窝可以具有由连接表l中坐标点(x,±blXi，yi±ciyi,Zi土d,Zi)的周向线所限定的部分二维截面构型。如上所述，有序变量"i，，表示l和n之间的整数，"n"为沿限定燃烧凹窝构型的周向线的坐标点的总数。对于各个"i"值，变量"b"、"c"和"d"是值为零和0.01之间并且包4舌零和0.Ol的独立十进位凝:值。例如，当i=1时，变量"b"的值可以是零，同时当1=2时，"b"的值可以为0.005。同冲羊，当i-l时，变量"b"的值可以为O.OOl,同时当i-时，变量"c"的值可以为O.007。变量"b"、"c"和"d，，实际上表示，在沿凹窝的周向线的任意点上的燃烧室构型中，由于制造活塞的设备的限制因素和活塞材料的耐用性限制因素而产生的以小数形式表示的容许偏差(误差)百分比。在对于各个"i，，值，"b,"、"Ci"和"di"都等于零的情形中，燃烧凹窝具有等同于图2中活塞凹窝36的构型。如上所述，与现有燃烧凹窝设计相比，本发明的燃烧凹窝36更深和凹腔更小。燃烧凹窝36的改进设计通过增强燃烧产物与气缸内可利用过量空气的混合，同时还降低了烟灰和NOx排放。此外，燃烧凹窝36在降低烟灰和NOx排放的同时，还保持或者改良了使用常规燃料注射和通风设备的燃料消耗。此外，燃烧凹窝36可以通过降低烟灰排放潜在地升高能量密度，从而使得燃料加注速率更高，同时仍然满足政府，见定的烟灰排放水平。本发明的燃烧凹窝36还可以有利地实现这些益处，同时不会产生另外的费用消耗。通过将更多的高温后燃烧气体直接导入接近凹窝外半径的高度紊流区域，燃烧凹窝36提供了增强的燃烧后混合。通过在与NOx显著形成所需相比较短的时间量程上混合后燃烧气体与存在于燃烧凹窝36中的相对较冷的过量空气，这导致燃烧后气体得到急冷。NOx形成的动力装置需要高温和相对较长的时间量程(与其它燃烧物理学相比，N0x形成是相对较慢的过程)。因此，燃烧后气体的快速冷却降低了NOx形成。此外，沿燃烧凹窝36外半径的相对平面轮廓(即，燃烧凹窝36比现有燃烧凹窝的凹腔更小)是显著导致燃烧凹窝36对喷雾目标敏感性较低的更有利设计。从例如燃料喷射器朝向燃烧凹窝外半径的燃料喷射的把向对随后的燃烧和废气形成过程具有决定性地影响。在生产枳^车中，喷射目标的变化是不可避免的，这是因为，例如喷油嘴锥体角、喷射器嘴凸出等等的变化。因为燃烧凹窝36对喷射目标较不敏感，因此由于喷射目标的变化，燃烧凹窝36有利地在燃烧和废气形成过程中提供较少变化。测试结果表明，与现有燃烧凹窝设计相比，本发明的燃烧凹窝36获得了优良结果，比如烟灰排放和N(U非放之间以及冊x排放和燃料消耗之间的优良平衡。这些优良结果在重要的操作条件下已经得到了表明，比如，接近机车额定功率的操作条件下。接近额定功率的操作条件对于排放测试是有意义的，因为它通常对应于最大机车输出功率，并且由此对应于最大机车排放。关于烟灰排放和NOx排放之间的平衡，本发明的燃烧凹窝36在稳定的N(U非放水平下，提供降低约50%的烟灰排放，和在稳定的烟灰排放水平下，提供降低大约30。/。的NO,排放。这些结果通过改变EGR水平和喷射("SOI")定时启动获得。此外，关于N"排放和燃料消耗之间的平衡，本发明燃烧凹窝36提供了降低大约15-20。/。的N0x排放，和降低大约3。/。的燃料消耗，或者二者之间的一些折中。类似地，在以下权利要求中，术语"坐标集S"定义为以上表l中的坐标点集合。虽然本发明已经通过参考某些优选实施方案进行了说明，但是应当理解，可以在本发明所述构思精神和范围内进行多种改变。据此，本发明并不意图限制于上述公开的实施方案，而是应当具有以下权利要求的全部范围。权利要求1.一种用于柴油机的活塞，所述活塞具有冠部和限定在x-y-z坐标空间内的三维形状，z-轴通常限定活塞的气缸轴，和平面z＝0通常与冠部的上边沿相交，所述活塞包括开槽在冠部内的燃烧凹窝，所述燃烧凹窝具有定位于z-轴上的中心点，并且在x-y-z坐标空间内具有由连接坐标点(xi，yi，zi)的周向线限定的二维部分截面构型，所述(xi，yi，zi)坐标点包括坐标集S中的点。2.权利要求l的活塞，其中所述燃烧凹窝具有通过围绕z-轴旋转周向线360°所限定的三维轴对称构型。3.权利要求l的活塞，其中坐标点(Xi,y,,Zi)以毫米为单位进行计量。4.权利要求l的活塞，其中所述冠部具有与冠部上边沿相邻接的外部侧壁，所述侧壁具有大约50.979毫米的半径。5.权利要求l的活塞，其中通常设置在坐标点(30.4087，0,0)和(28.9087,0,-1.5000)之间的凹窝周向线的边缘部分具有1.5毫米2.5毫米的曲率半径。6.—种用于柴油机的活塞，所述活塞具有冠部和限定在x-y-z坐标空间内的三维形状，z-轴通常限定活塞的气缸轴，和平面z=O通常与冠部的上边沿相交，所述活塞包括开槽在冠部内的燃烧凹窝，所述燃烧凹窝具有定位于z-轴上的中心点，并且在源于(Xi,)坐标点的x-y-z坐标空间内，具有由连接坐才示点(ax;±abiXi,ayi土aCiy,，az;±a^z;)的周向线卩艮定的二维部分截面构型，所述(Xi,y,,Zi)坐标点包括坐标集S中的点；其中因子"a"是大于零的实数，和"bi"、"c,"和"d,"是位于零~0.01之间并且包4舌零和0.Ol的独立的十进位数值。7.权利要求6的活塞，其中所述燃烧凹窝具有通过围绕z-轴旋转周向线360°所限定的三维轴对称构型。8.〖又利要求6的活塞，其中坐标点(Xl，yi，z,)以毫米为单位进行计量。9.外部侧壁，所述侧壁具有大约5G.979*&毫米的半径。10.权利要求6的活塞，其中因子"a"等于l。11.权利要求6的活塞，其中通常设置在坐标点(30.4087*a±30,4087*a*bi，0,0)和(28.9087*a±28.9087*a*bi,0,-1.5000*a±-1.5000*&*山)之间的凹窝周向线的边缘部分具有1.5*&毫米~2.5*a毫米的曲率半径。全文摘要本发明涉及一种低排放柴油机活塞，这种用于柴油机机车的活塞具有冠部和限定在x-y-z坐标空间内的三维形状。z-轴通常限定活塞的气缸轴，和平面z＝0通常与冠部的上边沿相交。活塞包括在冠部中开槽的燃烧凹窝。燃烧凹窝具有在z-轴上的中心点，和具有由在x-y-z坐标空间内连接坐标点(x<sub>i</sub>，y<sub>i</sub>，z<sub>i</sub>)的周向线限定的二维部分截面构型。所述(x<sub>i</sub>，y<sub>i</sub>，z<sub>i</sub>)坐标点包括坐标集S内的点。燃烧凹窝具有通过关于z-轴旋转周向线360°而限定的三维轴对称构造。文档编号F02F3/26GK101265855SQ20081000379公开日2008年9月17日申请日期2008年1月23日优先权日2007年1月23日发明者D·D·维克曼,R·迪瓦卡,S·争申请人:通用汽车环球科技运作公司