活塞的燃燒碗的制作方法
【專利摘要】公開一種活塞的燃燒碗。具體地，一種用于壓燃式內燃發動機的活塞包括具有沿著縱向活塞軸線限定的柱形外表面的活塞主體。活塞包括限定燃燒碗的燃燒面，燃燒碗包括內碗表面、內緣部分和外緣部分。燃燒面包括圍繞縱向活塞軸線的旋轉截面輪廓。旋轉輪廓的第一輪廓包括凸曲線段、在凸曲線段外側的線性段、以及在線性段外側的第一組凹曲線段。第一組凹曲線段限定第一曲率半徑。第二輪廓設置在第一輪廓外側并且包括第二組凹曲線段。第二組凹曲線段限定大于第一曲率半徑的第二曲率半徑。
【專利說明】活塞的燃燒碗

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種壓燃式內燃發動機的活塞，并且更具體地，涉及一種具有用于壓燃式內燃發動機的活塞的燃燒碗的燃燒面。

【背景技術】
[0002]包括柴油發動機、汽油發動機、天然氣發動機和本領域已知的其它發動機的發動機會排放空氣污染物的復雜混合物。空氣污染物可以由氣體化合物組成，氣體化合物可以包括氮氧化物(NOx)、未燃烴、和諸如煤煙等固體顆粒物質。由于對環境的日益關注，這些廢氣排放需要被最少化以滿足嚴格的環境標準。因此，根據發動機型號、發動機尺寸和/或發動機等級，存在可以調節從發動機排出的空氣污染物的量的很多方式。例如，用于發動機的活塞燃燒碗的設計在調節從發動機排出的空氣污染物的量中起到重要的作用。
[0003]例如，美國專利N0.7942126涉及一種用于操作直噴自動點火內燃發動機的方法和一種相應地構造的內燃發動機,該內燃發動機包括活塞頂和噴射器，活塞頂中一體地形成有并入基本環形階梯空間的活塞凹坑，噴射器形成指向階梯空間的噴射射流，射流在那里以下述方式偏轉，第一部分燃料量在軸向和徑向上指向活塞凹坑內，第二部分燃料量在活塞頂上方在軸向和徑向上偏轉，并且第三部分燃料量偏轉到周向以便在周向上一個沖擊在另一個上并且徑向向內偏轉，噴射的開始和噴射持續時間彼此協調并且與內燃發動機的曲柄角協調，以此方式使得鄰近噴射射流的第三部分量在周向上以至少15m/s的速度彼此碰觸。


【發明內容】

[0004]一方面，本發明提供一種用于壓燃式內燃發動機的活塞。活塞包括活塞主體，其具有沿著縱向活塞軸線限定的柱形外表面。柱形外表面具有第一軸向活塞端和第二軸向活塞端。燃燒面設置在第二軸向活塞端處。燃燒面限定燃燒碗，燃燒碗包括內碗表面、內緣部分和外緣部分。燃燒面包括圍繞縱向活塞軸線的旋轉截面輪廓。旋轉輪廓包括第一輪廓和第二輪廓。第一輪廓包括對應于內碗表面且通過縱向活塞軸線平分的凸曲線段。第一輪廓還包括在凸曲線段外側的線性曲線段和在線性曲線段外側的第一組凹曲線段。第一組凹曲線段限定第一曲率半徑。旋轉輪廓還包括在第一輪廓外側的第二輪廓，其包括對應于外緣部分的第二組凹曲線段。第二組凹曲線段限定比第一曲率半徑大的第二曲率半徑。
[0005]另一方面，提供一種壓燃式內燃發動機。發動機包括限定布置在其中的多個氣缸的氣缸體和安裝在氣缸體上的氣缸蓋。發動機還包括能夠在氣缸體內往復運動的活塞。活塞包括活塞主體，其具有沿著縱向活塞軸線限定的柱形外表面。柱形外表面具有第一軸向活塞端和第二軸向活塞端。燃燒面設置在第二軸向活塞端處。燃燒面限定燃燒碗，燃燒碗包括內碗表面、內緣部分和外緣部分。燃燒面包括圍繞縱向活塞軸線的旋轉截面輪廓。旋轉輪廓包括第一輪廓和第二輪廓。第一輪廓包括對應于內碗表面并且通過縱向活塞軸線平分的凸曲線段。第一輪廓還包括在凸曲線段外側的線性曲線段和在線性曲線段外側的第一組凹曲線段。第一組凹曲線段限定第一曲率半徑。旋轉輪廓還包括在第一輪廓外側的第二輪廓，其包括對應于外緣部分的第二組凹曲線段。第二組凹曲線段限定比第一曲率半徑大的第二曲率半徑。
[0006]又一方面，提供一種用于壓燃式內燃發動機的活塞的燃燒面。燃燒面包括燃燒碗，燃燒碗具有內碗表面、內緣部分和外緣部分。燃燒面包括圍繞縱向活塞軸線的旋轉截面輪廓。旋轉輪廓包括第一輪廓和第二輪廓。第一輪廓包括對應于內碗表面并且通過縱向活塞軸線平分的凸曲線段。第一輪廓還包括在凸曲線段外側的線性曲線段和在線性曲線段外側的第一組凹曲線段。第一組凹曲線段限定第一曲率半徑。旋轉輪廓還包括在第一輪廓外側的第二輪廓，其包括對應于外緣部分的第二組凹曲線段。第二組凹曲線段限定比第一曲率半徑大的第二曲率半徑。
[0007]本發明的其它特征和方面將通過以下描述和附圖變得清楚。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是內燃發動機的橫截面圖；
[0009]圖2圖示根據本發明的實施方式具有燃燒面的活塞的截面圖；和
[0010]圖3圖示圖2的活塞的燃燒面的輪廓的細節圖示。

【具體實施方式】
[0011]圖1圖示內燃發動機100 (以下稱為發動機100)的橫截面圖。在本發明的方面中，發動機100可以是直噴壓燃式內燃發動機，諸如用在機車中的柴油發動機。但是，可以想到的是，發動機100可以是用作2沖程發動機或4沖程發動機的任何其它類型的直噴壓燃式內燃發動機。發動機100可以包括發動機缸體102、多個活塞組件104 (僅示出一個)、與每個活塞組件104相關聯的氣缸蓋106、閥致動系統108、空氣引入系統110、燃料系統112和排氣系統114。
[0012]發動機缸體102可以限定多個氣缸116 (僅示出一個)。活塞組件104可以定位成在每個氣缸116內往復運動。可以想到的是，內燃發動機100可以包括任意數量的氣缸116并且氣缸116可以以“直列”構造、“V型”構造或任何其它常規構造布置。
[0013]每個活塞組件114可以被構造成在下止點(BDC)位置或氣缸116內的最低位置與上止點(TDC)位置或氣缸116內的最上位置之間往復運動。特別地，活塞組件104可以包括活塞主體118,活塞主體118包括與氣缸116的氣缸壁相對定位的柱形外表面120。本領域普通技術人員將理解，柱形外表面120可能在活塞主體118的長度上不是均勻柱形，但是，其可以包括沿著限定縱向活塞軸線122的軸向長度的至少一部分延伸的柱形表面。活塞主體118還可以包括第一軸向活塞端124和第二軸向活塞端126。在本發明的方面中，第二軸向活塞端126可以包括燃燒面128。
[0014]此外，每個氣缸蓋106可以與一個氣缸116相關聯，以形成具有一個或多個端口的燃燒室138。進氣通道130可以流體地連接并通至用于每個氣缸116的進氣端口 132，并且能夠向氣缸116供應空氣。此外，排氣通道134可以流體地連接并通至用于每個氣缸116的排氣端口 136。排氣通道134可以被構造成將多種燃燒產物從氣缸116輸出。可以想到的是，一個氣缸蓋106可以替代地與多個氣缸116和活塞組件104相關聯，以形成多個燃燒室138。還可以想到的是，氣缸蓋106還可以限定用于每個氣缸116的兩個或更多進氣端口132和/或排氣端口 136。
[0015]閥致動系統108可以包括設置在每個進氣端口 132內并且能夠選擇性地阻塞對應的進氣端口 132的進氣閥140。另外，排氣閥142可以設置在每個排氣端口 136內并且能夠選擇性地阻塞對應的排氣端口 136。
[0016]此外，空氣引入系統110可以被構造成將空氣137吸入內燃發動機100內并且可以包括與進氣通道130流體地連接的進氣歧管144。可以想到的是，空氣引入系統110可以是具有渦輪驅動或發動機驅動壓縮機(未示出)的增壓空氣系統，或者可以包括附加空氣處理部件，諸如廢氣閘門閥、節流閥、EGR系統、空氣清潔器、空氣冷卻器或本領域中已知的任何其它空氣處理部件。
[0017]燃料系統112可以被構造成向內燃發動機100供應燃料并且可以包括加壓燃料源146和至少一個燃料噴射器148。可以想到的是，可以包括附加部件，諸如像閥、能夠向多個燃料噴射器分配燃料的燃料共軌、預燃燒室、或本領域中已知的任何其它燃料系統部件。
[0018]加壓燃料源146可以被構造成產生加壓流體的流動，并且可以包括泵，諸如像可變排量泵、固定排量泵、可變流量泵、或本領域中已知的任何其它加壓流體源。加壓燃料源146可以通過例如副軸(未示出)、帶(未示出)、電路(未示出)、或以任何其它適當方式可驅動地連接至功率源(未示出)。還可以想到的是，加壓燃料源146可以替代地是加壓氣體燃料供應。
[0019]燃料噴射器148可以設置在與氣缸116相關聯的氣缸蓋106內。燃料噴射器148可以是可操作的，以在預定燃料壓力和燃料流速下將加壓燃料量噴射到燃燒室138內。燃料噴射器148可以被機械地、電氣地、氣動地或液壓地操作。在本發明的方面中，燃料噴射器148可以包括上方的燃料噴射器孔口組和下方的燃料噴射器孔口組，其能夠以不同的角度向燃料面128噴射燃料噴束。
[0020]此外,排氣系統114可以被構造成從氣缸116直接排放到大氣,并且可以包括與排氣通道134流體連通的排氣歧管150，排氣通道134與氣缸116相關聯。可以想到的是，排氣系統114可以包括其它部件，諸如像渦輪、廢氣再循環系統、顆粒過濾器、催化后處理系統、或本領域中已知的任何其它排氣系統部件。
[0021]圖2圖示根據本發明的實施方式的活塞104的截面圖。如圖2中所示，第二軸向活塞端126可以包括燃燒面128，其限定燃燒碗202，燃燒碗202包括內碗表面204、內緣部分206和外緣部分208。
[0022]在本發明的方面中，內碗表面204可以位于錐形突出部210上。燃燒面128還可以包括鄰近柱形外表面120并且在燃燒碗202的外緣部分208外側的外表面212。
[0023]在本發明的方面中，燃燒面128可以包括截面輪廓，該截面輪廓還包括圍繞縱向活塞軸線122的旋轉輪廓。參照圖2和圖3，燃燒面128的旋轉輪廓可以包括第一輪廓214、第二輪廓216和第三輪廓218。旋轉輪廓可以包括許多曲線段，每個曲線段對應于燃燒面128的表面之一。旋轉輪廓可以圍繞縱向活塞軸線122徑向均勻。相應地，如圖2和圖3中所示的在縱向軸線122的一側上的旋轉輪廓的一些特征的描述可以被理解為類似地指在縱向活塞軸線122的相對側上的旋轉輪廓的特征。
[0024]旋轉輪廓可以包括碗輪廓302 (如圖3中所示)，其限定具有由縱向軸線122平分的凸曲線段304的第一輪廓214。凸曲線段304可以對應于內碗204并且由內碗204限定。另外，第一輪廓214包括具有在凸曲線段304外側的第一線性段306的連續過渡。在實施方式中，第一線性曲線段306以與縱向活塞軸線122成預定角度A設置。例如，預定角度A可以在大約60度至65度的范圍內。
[0025]第一輪廓214還可以包括在線性曲線段306外側的第一組凹曲線段308。第一組凹曲線段308對應于燃燒碗202的內緣部分206。在本發明的方面中，第一組凹曲線段308限定第一曲率半徑Rl。
[0026]此外，旋轉輪廓可以包括在第一輪廓214外側的第二輪廓216。在本發明的方面中，第二輪廓216可以包括第二組凹曲線段310。第二組凹曲線段310對應于燃燒碗202的外緣部分208。第二組凹曲線段310可以限定第二曲率半徑R2。在本發明的方面中，第二曲率半徑R2大于第一曲率半徑Rl。在示例性實施方式中，第一曲率半徑Rl可以在大約1mm至15mm的范圍內，并且第二曲率半徑R2可以在大約20mm至25mm的范圍內。
[0027]在實施方式中，燃燒面128的旋轉輪廓還可以包括從第一輪廓214到第二輪廓216的非凹入過渡314。例如，非凹入過渡314可以是從第一組凹曲線段308到第二組凹曲線段310的過渡。在本發明的方面中，非凹入過渡314限定在大約2mm至5mm范圍內的第三曲率半徑R3。
[0028]此外，燃燒碗202的內緣部分206和外緣部分208被構造成分別從燃料噴射器148的下方的燃料噴射器孔口組224和上方的燃料噴射器孔口組226分別接收兩種燃料噴束220和222。在實施方式中，燃燒碗202的內緣部分206和外緣部分208被構造成在如圖2中所示的兩個不同平面處引導燃料噴射器束220和222。
[0029]在本發明的方面中，下方的燃料噴射器孔口組224和上方的燃料噴射器孔口組226可以包括相對于彼此以第一預定角度設置的第一組燃料噴射器孔口和相對于彼此以第二預定角度設置的第二組燃料噴射器孔口。例如，上方的燃料噴射器孔口組226可以包括圍繞燃料噴射器148相對于彼此以大約60度設置的六個燃料噴射器孔口。類似地，下方的燃料噴射器孔口組224可以包括圍繞燃料噴射器148相對于彼此以大約60度設置的六個燃料噴射器孔口。
[0030]在本發明的另一方面中，上方的燃料噴射器孔口組226和下方的燃料噴射器孔口組224可以相對于縱向活塞軸線122以不同的預定角度噴射燃料噴束222和220。在本發明的方面中，上方的燃料噴射器孔口組226可以具有較寬的夾角，使得上方的燃料噴射器孔口組226被構造成將燃料噴束222引導到燃燒碗202的外緣部分208上。另外，下方的燃料噴射器孔口組224可以具有較窄的夾角，使得下方的燃料噴射器孔口組224可以將燃料噴束220引導到燃燒碗202的內緣部分206上。因此，這些燃料噴束220和222分別被接收在燃燒碗202的內緣部分206和外緣部分208處的兩個不同平面處。
[0031]燃燒面128的旋轉輪廓可以包括在第二輪廓216外側的第三輪廓218。在本發明的方面中，第三輪廓218可以包括對應于外表面212的一組線性水平段316，外表面212鄰近外表面120。此外，燃燒面128的旋轉輪廓可以包括基本上垂直于縱向活塞軸線122的水平軸線318。在實施方式中，水平軸線318被構造成穿過第三輪廓218并且在點320處與第二輪廓216相交。水平軸線318被構造成與燃燒面128的第一輪廓214的凸曲線段304相距預定距離D。在本發明的方面中，預定距離D大于零。
[0032]工業實用性
[0033]包括諸如用在機車中的柴油發動機等直噴壓燃式發動機的發動機會排放空氣污染物的復雜混合物。空氣污染物可以由氣體化合物組成，氣體化合物可以包括氮氧化物(NOx)、未燃烴、和諸如煤煙等固體顆粒物質。由于對環境的日益關注，這些廢氣排放需要被最少化以滿足嚴格的環境標準。因此，根據發動機型號、發動機尺寸和/或發動機等級，存在可以調節從發動機排出的空氣污染物的量的很多方式。
[0034]為了調節顆粒物質的排放，已知后處理方法。但是，這些后處理方法在減少從發動機排出的顆粒物質的同時易于增加NOx排放，這也是不期望的。因此，在顆粒物質燃燒的過程中減少顆粒物質的產生且不影響NOx排放是重要的。
[0035]相應地，這里公開具有燃燒面128的活塞104。燃燒面128包括燃燒碗202，燃燒碗202具有從內緣部分206到外緣部分208的非凹入過渡314，其被構造成使燃料噴束220和222從上方的燃料噴射器孔口組226和下方的燃料噴射器孔口組224轉向到兩個不同的平面。這有利于燃料噴束的分離和燃料噴束與氣缸內充量(諸如燃燒室138中的空氣)的均勻混合。燃料與氣缸內充量的均勻混合引起在燃燒室138內的最大化燃燒和在燃燒過程中諸如煤煙等顆粒物質的較低排放。
[0036]在本發明的方面中，具有兩個緣部分(S卩，內緣部分206和外緣部分208)的燃燒碗202的表面面積/體積比相比于單個碗輪廓產生到周圍的改進的傳熱速率。本發明的燃燒碗202的改進的傳熱速率引起在燃燒過程中較低的NOx排放。
[0037]雖然已經參照上述實施方式具體地示出并描述本發明的方面，本領域技術人員將理解，通過對本發明的發動機系統和方法的變型可以想到各種附加實施方式，而不背離本發明的精神和范圍。這些實施方式應當被理解為落入如基于權利要求及其任何等效確定的本發明的范圍內。
【權利要求】
1.一種用于壓燃式內燃發動機的活塞，所述活塞包括: 活塞主體，其包括沿著縱向活塞軸線限定的柱形外表面，柱形外表面具有第一軸向活塞?而和弟_■軸向活塞立而; 燃燒面，其設置在第二軸向活塞端處，燃燒面限定燃燒碗，燃燒碗具有內碗表面、內緣部分和外緣部分；和 燃燒面的截面輪廓，其包括圍繞縱向活塞軸線的旋轉輪廓，燃燒面的旋轉輪廓包括: 第一輪廓，其包括對應于內碗表面并且由縱向活塞軸線平分的凸曲線段、在凸曲線段外側的線性曲線段、以及在線性曲線段外側并且對應于內緣部分的第一組凹曲線段，第一組凹曲線段限定第一曲率半徑；和 在第一輪廓外側的第二輪廓，其包括第二組凹曲線段，第二組凹曲線段對應于外緣部分并且限定大于第一組凹曲線段的第一曲率半徑的第二曲率半徑。
2.根據權利要求1所述的活塞，其中，燃燒面的旋轉輪廓包括從第一輪廓到第二輪廓的非凹入過渡。
3.根據權利要求1所述的活塞，其中，燃燒面的旋轉輪廓還包括在第二輪廓外側并且對應于鄰近柱形外表面的燃燒面的外表面的第三輪廓。
4.根據權利要求3所述的活塞，其中，燃燒面的旋轉輪廓還包括基本上垂直于縱向活塞軸線并且能夠與燃燒面的第三輪廓和第二輪廓相交的水平軸線。
5.根據權利要求4所述的活塞，其中，凸曲線段與水平軸線相距預定距離，使得預定距離大于零。
6.根據權利要求1所述的活塞，其中，線性曲線段以與縱向活塞軸線成預定角度設置。
7.根據權利要求1所述的活塞，其中，第一輪廓包括從凸曲線段到第一組凹曲線段的連續過渡。
8.一種壓燃式內燃發動機，包括: 氣缸體，其限定設置在其中的多個氣缸； 氣缸蓋，其安裝在氣缸體上； 活塞，其能夠在氣缸體內往復運動，活塞包括: 活塞主體，其包括沿著縱向活塞軸線限定的柱形外表面，柱形外表面具有第一軸向活塞?而和弟_■軸向活塞立而； 燃燒面，其設置在第二軸向活塞端處，燃燒面限定燃燒碗，燃燒碗具有內碗表面、內緣部分和外緣部分；和 燃燒面的截面輪廓，其包括圍繞縱向活塞軸線的旋轉輪廓，燃燒面的旋轉輪廓包括: 第一輪廓，其包括對應于內碗表面并且由縱向活塞軸線平分的凸曲線段、在凸曲線段外側的線性曲線段、以及在線性曲線段外側并且對應于內緣部分的第一組凹曲線段，第一組凹曲線段限定第一曲率半徑；和 在第一輪廓外側的第二輪廓，其包括第二組凹曲線段，第二組凹曲線段對應于外緣部分并且限定大于第一組凹曲線段的第一曲率半徑的第二曲率半徑；和 燃料噴射器，其具有上方的燃料噴射器孔口組和下方的燃料噴射器孔口組并且能夠將燃料噴束分別以第一角度和第二角度噴射到外緣部分和內緣部分。
9.根據權利要求8所述的發動機，其中，燃燒面的旋轉輪廓包括從第一輪廓到第二輪廓的非凹入過渡。
10.根據權利要求8所述的發動機，其中，燃燒面的旋轉輪廓還包括在第二輪廓外側并且對應于鄰近柱形外表面的燃燒面的外表面的第三輪廓。
11.根據權利要求10所述的發動機，其中，燃燒面的旋轉輪廓還包括基本上垂直于縱向活塞軸線并且能夠與燃燒面的第三輪廓和第二輪廓相交的水平軸線。
12.根據權利要求11所述的發動機，其中，凸曲線段與水平軸線相距預定距離，使得預定距離大于零。
13.根據權利要求8所述的發動機，其中，線性曲線段以與縱向活塞軸線成預定角度設置。
14.根據權利要求8所述的發動機，其中，第一輪廓包括從凸曲線段到第一組凹曲線段的連續過渡。
15.一種用于壓燃式內燃發動機的活塞的燃燒面，燃燒面包括: 燃燒碗，其具有內碗表面、內緣部分和外緣部分；和 截面輪廓，其具有圍繞縱向活塞軸線的旋轉輪廓，旋轉輪廓包括: 第一輪廓，其包括對應于內碗表面并且由縱向活塞軸線平分的凸曲線段、在凸曲線段外側的線性曲線段、以及在線性曲線段外側并且對應于內緣部分的第一組凹曲線段，第一組凹曲線段限定第一曲率半徑；和 在第一輪廓外側的第二輪廓，其包括第二組凹曲線段，第二組凹曲線段對應于外緣部分并且限定大于第一組凹曲線段的第一曲率半徑的第二曲率半徑。
16.根據權利要求15所述的燃燒面，其中，燃燒面的旋轉輪廓包括從第一輪廓到第二輪廓的非凹入過渡。
17.根據權利要求15所述的燃燒面，其中，旋轉輪廓還包括在第二輪廓外側并且對應于鄰近柱形外表面的燃燒面的外表面的第三輪廓。
18.根據權利要求17所述的燃燒面，其中，旋轉輪廓還包括基本上垂直于縱向活塞軸線并且能夠與第三輪廓和第二輪廓相交的水平軸線。
19.根據權利要求18所述的燃燒面，其中，凸曲線段與水平軸線相距預定距離，使得預定距離大于零。
20.根據權利要求15所述的燃燒面，其中，第一輪廓包括從凸曲線段到第一組凹曲線段的連續過渡。
【文檔編號】F02B23/06GK104295398SQ201410341714
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年7月17日 優先權日:2013年7月18日
【發明者】D·A·皮爾龐特, J·P·蒂蒙斯, M·B·格茨克, R·P·S·桑卡拉, R·薩布拉曼雅 申請人:電動內燃機公司