限定对置活塞发动机内的燃烧室构造的活塞顶凹腔的制作方法
【专利说明】限定对置活塞发动机内的燃烧室构造的活塞顶凹腔
[0001]优先权
[0002]本申请是2011年4月18日提交的美国专利申请13/066,589的部分继续申请，该申请要求:2010年4月27日提交的美国临时申请61/343，308 ;2010年5月18日提交的美国临时申请61/395，845 ;和2010年8月16日提交的美国临时申请61/401，598的优先权。
[0003]本申请是2012年5月16日提交的PCT申请US2012/038061的部分继续申请，该申请要求2011年5月18日提交的美国临时申请61/519，194的优先权。
[0004]相关申请
[0005]本申请包含涉及2011年8月15日提交且在2012年3月29日公开为US2012/0073541的美国专利申请13/136，954，以及2011年8月15日提交且在2012年3月29日公开为US 2012/0073526的美国专利申请13/136,955的材料。
【背景技术】
[0006]本领域是用于内燃发动机的燃烧室。特别地，本领域包括对置活塞发动机的构造，在对置活塞发动机内，燃烧室被限定在相对设置在气道式汽缸(ported cylinder)的孔内的活塞的顶凹腔之间。
[0007]根据图1，现有技术的对置活塞发动机包括至少一个汽缸10，该汽缸具有在其中机械加工或成形的孔12以及纵向间隔的进气端口 14和排气端口 16。在一些方面，汽缸10的构造包括限定孔的汽缸衬套(或套筒)。燃料喷射器17固定在喷射器端口内(放置喷射器的端口)，其通向汽缸的侧表面。具有封闭端区域(“顶”)20c、22c的两个活塞20、22被设置在孔内，其中顶的端面20e、22e彼此面对。为了方便起见，活塞20被称为“进气”活塞，因为其靠近进气端口 14。类似地，活塞22被称为“排气”活塞，因为其靠近排气端口 16。
[0008]具有一个或多个气道式汽缸(其中成形有一个或多个进气端口和排气端口的汽缸)诸如汽缸10的对置活塞发动机的操作被很好地理解。就此而言，响应于燃烧，对置活塞移动远离各自的上止点(TDC)位置，其中上止点位置是活塞在汽缸10内最里面的位置。当从TDC移动时，活塞保持其相关联的端口关闭，直到活塞到达各自的下止点(BDC)位置，其中下止点位置是活塞在汽缸内最外面的位置。活塞可以同相地移动，以便进气端口 14和排气端口 16—致地打开和关闭。可替换地，一个活塞可以同相地领先另一个活塞，在这种情况下，进气端口和排气端口具有不同的打开和关闭时间。在其他配置中，正时偏差可以通过在距离汽缸的纵向中心不同的距离处设置进气端口和排气端口而实施。
[0009]在许多对置活塞构造中，相位偏差被引进到活塞运动中。如图1中所示，例如，排气活塞领先进气活塞，并且相位偏差导致活塞依次移动到它们的BDC位置，其中当排气活塞22移动通过BDC时，排气端口 16打开，同时进气端口 14仍关闭，使得燃烧气体开始流出排气端口 16。随着活塞继续移动彼此远离，进气活塞20移动通过BDC，导致进气端口 14打开，同时排气端口 16仍然打开。增压空气的充气通过打开的进气端口 14被迫进入汽缸10中，驱动排气通过排气端口 16离开汽缸。如图1中所示，在进一步移动活塞之后，排气端口16在进气端口 14之前关闭，同时进气活塞20继续移动远离BDC。通常，当新鲜空气的充气穿过进气端口 14的倾斜开口时被打旋。参考图1，打旋运动(或简称“打旋”)30是充气空气大致螺旋的运动，其围绕汽缸的纵轴循环，并且纵向移动通过汽缸10的孔。根据图2，当活塞20、22继续向着TDC移动时，进气端口 14被关闭，并且保留在汽缸内的打旋的充气空气在顶20c和22c的端面20e、22e之间被压缩。当活塞靠近它们在汽缸孔内的各自的TDC位置时，燃料40在活塞的端面20e、22e之间被喷射到压缩的充气空气内。在一些方面，经由喷射器17，燃料被直接喷射通过汽缸的侧面，进入到孔内(“直接侧喷射”)。随着喷射继续，空气和燃料的打旋的混合物在活塞20和22移动通过它们各自的TDC位置时，在由端面20e和22e之间限定的燃烧室32内被递增地压缩。当混合物到达着火点温度时，燃料在燃烧室内点燃，驱动活塞向着它们各自的BDC位置分开。
[0010]当燃料喷射开始时，湍流是期望的充气空气运动的特征。湍流促使充气空气与燃料的混合，以便更完全的燃烧。进气端口开口和对置活塞发动机的汽缸的几何结构为促进排气的移除(清除)和充气空气湍流的充气空气的适当地打旋运动的产生提供了非常高效的平台。然而，由打旋主导的充气空气的运动在燃烧期间会产生不期望的效果。例如，在平坦活塞端面之间限定的圆柱形燃烧室内的燃烧期间，漩涡朝着汽缸孔推动火焰，使得热量损失到(相对)较冷的汽缸壁。漩涡的较高的速度矢量发生在汽缸壁附近，这为热量损失提供了最坏的情景:具有高速度的高温气体传递热量到汽缸壁，并且降低发动机的热效率。因此，在这种对置活塞发动机中，当喷射开始时期望保持充气空气湍流，同时缓解由打旋产生的不良影响。
[0011 ] 在某些对置活塞燃烧室构造中，湍流由在汽缸向着汽缸轴线的径向方向上的来自燃烧室的周边的挤流产生。挤流由压缩的空气从活塞端面的周边处的相对高压区域到在至少一个活塞端面中形成的凹腔中的较低压力区域运动而生成。挤流促进燃烧室中的充气空气湍流。例如，美国专利6，170，443公开了具有一对相对的活塞的汽缸，该活塞具有互补的端面构造。在一个端面内形成的圆形凹陷相对于其活塞的轴对称，并且在其中心上升到一定高度。对置的端面的周边具有凸形形状，在其中心形成半环形(一半环形)凹槽。当活塞接近TDC时，活塞限定以汽缸的纵轴为中心的大致环形燃烧室。燃烧室被限定在凹形表面形状和凸形表面形状之间的圆周挤压带围绕。当活塞接近TDC时，挤压带生成向内引导的并进入环形凹槽的挤流，并且产生“上止点附近的高密度漩涡”。参见专利6，170，443的第19栏第25-27行。燃料在孔的径向方向上被喷射到环形燃烧室内。
[0012]在燃烧室内增加的充气空气的湍流增加了空气/燃料混合的效率。仅由打旋或挤流主导的充气空气运动可以实现某一水平的湍流。然而，当喷射开始时需要创建充气空气运动的额外的元素，以便产生更多的充气空气的湍流，其促进了比使用打旋和/或挤压可以获得的混合更均匀的混合，并且缓解了打旋的影响，由此减少了燃烧对汽缸壁的热量的传输；一个这种额外的成分是翻滚。就此而言，翻滚是充气空气的旋转运动，其在横跨汽缸的纵轴的方向上循环。优选地，翻滚运动是充气空气的循环，其围绕汽缸孔的直径循环。
[0013]在专利US 2011/0271932中描述以及图示说明了生成充气空气运动的翻滚成分的对置活塞发动机的示例性的燃烧室构造。该发动机包括具有纵向上分开的排气端口和进气端口的至少一个汽缸，和相对放置以便在汽缸的孔内往复运动的一对活塞。当活塞向着TDC运动时，具有细长的椭圆形形状的燃烧室在孔内的活塞的端面之间形成。端面的形状生成具有相对于燃烧室的主轴倾斜的互补方向的充气空气的挤流。端面形状与充气空气运动的挤流和打旋成分的相互作用导致燃烧室内一个或多个翻滚运动的产生。
[0014]优选地，对置活塞的端面结构的形状是相同的，使得每个端面具有以活塞的纵轴为中心的环形区域，和环形区域内的凹腔，所述凹腔以第一部分和第二部分限定凹形表面，第一部分从包含环形接触区域的平面向活塞的内部向内弯曲，第二部分从活塞的内部向包含环形接触区域的平面向外弯曲。活塞被旋转地取向以相对地放置凹腔的互补的弯曲表面，以便最大化挤压区的挤压表面积。这些特征导致具有大致细长的椭圆形状的燃烧室。
[0015]显然，用于被指定为仅具有大致细长的椭圆形状的对置活塞发动机的燃烧室构造未考虑可以单独或共同地改变以便增加发动机设计的灵活性和能够实现针对对置活塞发动机性能的特定目标和要求的“大致形状”的特征和尺寸。因此，在对置活塞发动机配置的领域需要系统的容积模型，使用该模型来通过燃烧室元件的特征和尺寸关系的描述来限定燃烧室构造。
【发明内容】
[0016]在两个相对的端面包括凹腔的活塞的顶之间形成的燃烧室的三维形状在之前已经被描述为椭圆形或足球形。在本说明书中，三维燃烧室的形