00在缸内生成的流动效果的定性图示通过图12中的箭头表示。在此图示中，如之前的图示，假设活塞100例如在燃烧冲程期间在燃料喷射到缸内的同时更深地运动到缸内，例如在继续燃烧喷射事件期间。在此情况下，燃料喷射器308示出为将一个或多个燃料流310喷射到缸内。可以开始雾化、与周围空气混合和/或燃烧的燃料流310可以沿着碗部110的内部浅面606跟随路径312，直到它到达循环表面600。在到达循环表面600时，燃烧材料将下沉进入圆环状腔602，并在腔602内且通常在屈曲边缘604下方至少临时地采取涡流型式608。通过下部局部发散表面502引起的第二涡流610可增强圆环状腔602内的材料的涡流运动608。为了增强和隔离腔602中的涡流材料，可以包括空气的周围材料可以沿着祸流路径314沿着上表面504拉动，以跟随沿着路径608和610的运动物质。跟随沿着祸流路径314的运动物质的周围空气或包括空气、相同或不同燃料和/或排气的混合物可在一些情况下通过围绕运动燃烧物质生成运动的气幕来进一步隔离和容纳燃烧的运动物质，不使其在缸体积的径向外部内分散。
[0035]活塞100的第四替代实施方式在图14的局部视图中示出，并且其一部分在图15的详细视图中示出。此实施方式中的活塞100包括明显的环形突出部500、形成在碗部110内的循环表面600，并且还包括翼面表面400。翼面表面400类似于翼面表面400 (图10)，其通过沿着凹入沟槽406相遇的内部发散表面402和外部汇合表面404形成。在附图中表示为REF的参考曲线被叠加，以强调活塞100和基本活塞设计之间的结构差别。在操作期间，翼面表面400如之前描述造成燃烧材料的运动物质，其可以沿着平冠部表面112的壁运行以便向上重新引导远离活塞100和活塞100在其中往复的缸的壁。这种运动是腔602内的涡流型式608之外的第二涡流610，其由下部局部发散表面502引起，并且周围材料沿着涡流路径314沿着上表面504拉动，以跟随沿着路径608和610运动的物质。围绕翼面表面700并沿着活塞100的外部上周边布置的壁410形成斜面，造成运动流体远离区域408。围绕燃烧物质向上运动的附加空气可以进一步用来提供氧，以便运动物质中存在的燃料的更完全燃烧，因此增加发动机效率，并使缸壁和区域408与燃烧产品隔离。
[0036]工业实用性
[0037]本发明适用于用于内燃发动机的活塞，其可以用于诸如基于陆地或海洋的应用以及用于移动式或固定应用的任何应用。已经发现用于这里描述的活塞特征的多种实施方式通过增加功率输出、减小燃料消耗并减小排放来有利地改善发动机操作。图16示出了多个视图，其示出用于多种实施方式的发动机操作中缸部件操作温度变化和由NOx和烟灰排放表示的排放变化。所考虑的多种实施方式包括以上描述的特征的不同组合，这些特征包括翼面表面、环形突出部和循环腔，其可以单独或结合使用，以及各自几何结构特征中的变化，包括所涉及多种表面的曲率半径的变化，例如半径R1-R5，特征之间的相对位置以及其他特征。可以从视图看到，与基本活塞相比，这些多种特征的存在和结构可以对于部件温度、NOx和烟灰排放具有显著效果。
[0038]更具体地，图16示出用于19个不同活塞构型的四个不同发动机操作参数，每个活塞构型包括以多种尺寸设置的多种特征。调查的目的在于确定多种特征对于被监控的发动机操作参数的影响，并针对在功率、燃料正时、点火正时等具体参数下操作的特定发动机应用优化活塞设计。在附图中，19个替代活塞构型的每个沿着水平轴线700布置。指示缸盖、缸壁或衬底以及活塞顶部的火焰甲板的温度的总排热(J/循环)沿着最顶部竖直轴线702在顶部图表中绘制。NOx浓度(g/千瓦时)沿着竖直轴线704在中间图表中绘制。烟灰(也是g/千瓦时)沿着下部竖直轴线706在下部图表中绘制。
[0039]参考图16的视图示出的信息，由框708表示的最左侧活塞设计对于所施加的测试状况示出大约2791J/循环的总排热、大约15.4g/千瓦时的NOx输出以及大约0.607g/千瓦时的烟灰输出。在测试的多种其他替代构型中，排热在构型710的大约2630J/循环和构型712的2000J/循环之间的范围内，但是具有不同的NOx和烟灰排放，如视图所示。在测试的构型中，在出现的最佳构型714中，总排热为大约2148J/循环，代表降低23%，NOx是大约16.2g/千瓦时，代表增加5.2%，并且烟灰是大约0.157g/千瓦时，代表减小75%。最佳构型714示出了充分降低的排热，以避免超过周围发动机部件的温度极限，并且极大地降低了烟灰，即使NOx略微增加，这些可以通过发动机的后处理系统解决。在使用模拟技术对于多种活塞设计进行的考虑项目中，活塞构型714包括翼面表面和循环腔，与图14和15所示的实施方式类似。
[0040]将理解到以上说明提供本发明系统和技术的例子。但是，设想到本发明的其他应用可在细节上不同于以上例子。对于本发明及其例子的所有参照旨在说明此时描述的特定例子，并不意图对于更宽泛的本发明的范围施加任何限制。相对于某些特征的所有区别性和歧视性言语旨在指出这些特征不是优选的，但不将其完全排除在本发明的范围之外，除非另外指明。这里描述的多种尺寸将总体指的是标称尺寸，也就是说，这些尺寸可以在工程图纸中调出，但是也可在标称尺寸的允差内制造。
【主权项】
1.一种用于内燃发动机的活塞，包括: 活塞主体，其形成冠部部分和裙部部分，裙部部分包括配置成接收将活塞连接到连接杆的销的孔口，冠部部分形成通过具有环形形状并沿着平面布置的平冠部表面围绕的碗部，碗部和平冠部表面沿着围绕碗部的边沿的圆形边缘相遇； 环形突出部，其邻近边沿布置在碗部内，环形突出部在通过沿着凸出顶点相遇的上部向内延伸表面和下部向内延伸表面生成的横截面内具有大致凸出形状；以及 翼面表面，其形成在平冠部表面内，翼面表面具有凸出形状并围绕碗部的边沿环形延伸。2.根据权利要求1所述的活塞，其中，翼面表面包括相对于活塞径向向外延伸并下沉远离容纳平表面的平面的扩张表面。3.根据权利要求2所述的活塞，其中，翼面表面还包括相对于扩张表面径向向外布置并朝着包括平表面的平面升高的汇合表面。4.根据权利要求3所述的活塞，其中，翼面表面还包括布置在扩张表面和汇合表面之间以形成翼面表面的底部沟槽的屈曲表面。5.根据权利要求4所述的活塞，其中，扩张表面的曲率半径大于汇合表面的曲率半径。6.根据权利要求5所述的活塞，其中，扩张表面的曲率半径具有47.3mm的标称尺寸，其中汇合表面的曲率半径具有2.6mm的标称尺寸，并且其中翼面表面在径向上的总宽度具有13.9mm的标称尺寸。7.根据权利要求1所述的活塞，还包括围绕翼面表面并沿着活塞冠部的外部上周边布置的柱形壁。8.根据权利要求1所述的活塞，其中，环形突出部围绕碗部周边地延伸，并且其中环形突出部布置在边沿下方的一高度处。9.根据权利要求1所述的活塞，其中，上部向内延伸表面是汇合表面，并且其中下部向内延伸表面是汇合表面。10.根据权利要求1所述的活塞，其中，上部向内延伸表面以第一横截面半径形成，其中下部向内延伸表面以第二横截面半径形成，并且其中第一横截面半径大于第二横截面半径。11.根据权利要求10所述的活塞，其中，第一横截面半径具有13.5mm的标称尺寸，并且第二横截面半径具有6.9mm的标称尺寸。
【专利摘要】本发明涉及发动机活塞。具体地，一种用于内燃发动机的活塞包括形成冠部部分和裙部部分的活塞主体。裙部部分包括接收用于将活塞连接到连接杆的销的孔口，并且冠部部分形成通过具有环形形状并沿着平面布置的平冠部表面围绕的碗部。碗部和平冠部部分沿着围绕碗部的边沿的圆形边缘相遇。活塞还包括邻近边沿布置在碗部内的环形突出部。环形突出部在通过沿着凸出顶点相遇的上部向内延伸表面和下部向内延伸表面生成的横截面内具有大致凸出形状。活塞还包括形成在平冠部表面内的翼面表面。翼面表面具有凸出形状并围绕碗部的边沿环形延伸。
【IPC分类】F02F3/00
【公开号】CN105604726
【申请号】CN201510792450
【发明人】J·A·小苏巴奇, M·I·罗恩, S·P·库利尔, A·卡塔里, N·O·鲁拉, J·C·韦伯, S·C·佐兹
【申请人】卡特彼勒公司
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2015年11月17日
【公告号】EP3023610A2, EP3023610A3, US20160138520