專利名稱：用于對置活塞發(fā)動機的燃燒室構(gòu)造的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本領(lǐng)域是用于內(nèi)燃發(fā)動機的燃燒室。具體地，本領(lǐng)域包括用于多種對置活塞發(fā)動機的構(gòu)造，在這些對置活塞發(fā)動機中，燃燒室被限定在多個活塞的端部表面之間，這些活塞被相對布置在裝有汽門的汽缸的孔內(nèi)。更具體地，本領(lǐng)域包括帶有燃燒室構(gòu)造的對置活塞發(fā)動機，其在允許進入汽缸的充氣內(nèi)在這些活塞端部表面之間產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)運動。
背景技術(shù)：
按照圖1，對置發(fā)動機包括至少一個汽缸10，其帶有孔12并且其中機械加工成或形成有縱向地布置的進氣和排氣口 14和16。一個或更多個燃料噴射器17被固定在多個噴射口內(nèi)(噴射器被定位在噴射口)，這些噴射口通過該汽缸的側(cè)表面開口。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)兩個活塞20、22被布置在孔12內(nèi)，它們的端部表面20e、22e互相相對。為方便起見，由于更接近進氣口 14，活塞20被稱作“進氣”活塞。類似地，活塞22被稱作“排氣”活塞，由于 它更接近排氣口 16。帶有一個或更多個裝有汽門的汽缸(汽缸帶有在其內(nèi)形成的一個或更多進氣和排氣口)的操作，比如汽缸10的操作徹底被理解。就此而言，響應(yīng)燃燒，這些對置活塞從各自的上止點(TDC)位置移開，這些上止點是對置活塞在汽缸10內(nèi)處于其最內(nèi)部位置的地方。當(dāng)從上止點TDC移開后，這些活塞保持其相關(guān)聯(lián)的氣門閉合直到它們接近各自的下止點(BDC)位置，這些下止點位置是活塞在汽缸內(nèi)處于其最外部位置的地方。這些活塞可以協(xié)調(diào)地移動以便進氣和排氣口 14、16—致地打開和關(guān)閉。可替代地，一個活塞可以協(xié)調(diào)地引導(dǎo)另一個，在這種情況下進氣和排氣口具有不同的打開和關(guān)閉時間。在許多對置活塞構(gòu)造中，相位偏移被引入到活塞移動中。如圖I所示，例如，排氣活塞引導(dǎo)進氣活塞并且相位偏移引起這些活塞圍繞它們的下止點BDC位置順序移動，其中當(dāng)排氣活塞22移動經(jīng)過下止點時，排氣口 16打開，同時進氣口 14仍然關(guān)閉，以便燃燒氣體開始從排氣口 16流出。當(dāng)這些活塞繼續(xù)彼此遠(yuǎn)離地移動時，進氣活塞20移動經(jīng)過下止點BDC，引起進氣口 14打開同時排氣口 16仍然打開。增壓空氣的進氣通過打開的進氣口 14被強制充入汽缸10，驅(qū)動排氣通過排氣口 16排出該汽缸。如圖I可見，在這些活塞的進一步移動后，排氣口 16先于進氣口 14關(guān)閉，而進氣活塞20繼續(xù)移動遠(yuǎn)離下止點BDC。典型地，當(dāng)新鮮空氣的充氣通過進氣口 14的傾斜開口時，新鮮空氣的充氣是渦流的。參考圖1，該渦流運動(或簡單地，“渦流”)30是增壓空氣的大體螺旋移動，該增壓空氣圍繞汽缸的縱向軸線旋轉(zhuǎn)并且通過汽缸10的孔縱向地移動。按照圖2，當(dāng)活塞20、22繼續(xù)向上止點TDC移動時，進氣口 14被關(guān)閉并且保持在該汽缸內(nèi)的渦流的增壓空氣在端部表面20e和22e之間被壓縮。當(dāng)這些活塞在汽缸孔內(nèi)靠近它們各自的上止點TDC位置時，燃料40被噴射進入壓縮的增壓空氣30中，在這些活塞的端部表面20e、22e之間。隨著噴射繼續(xù)，當(dāng)活塞20和22移動通過它們各自的上止點TDC位置時，空氣和燃料的渦流混合物在燃燒室32內(nèi)被逐漸增加壓縮，該燃燒室32被限定在端部表面20e和22e之間。當(dāng)混合物達到點火溫度，該燃料在燃燒室內(nèi)點火，驅(qū)動這些活塞朝向它們各自的下止點BDC位置分離。
當(dāng)燃料噴射開始時，湍流是增壓空氣運動的令人希望的特征。與另外發(fā)生的方式相比，湍流激勵增壓空氣與燃料的混合物更完整并且更均勻地點火。進氣口開口和對置發(fā)動機的汽缸的幾何形狀提供了非常有效的平臺，用于產(chǎn)生增壓空氣的強大渦流運動，該渦流運動促使排氣排出(凈化)以及去除增壓空氣湍流。但是，由渦流支配的增壓空氣運動能夠在燃燒期間產(chǎn)生不希望的效果。例如，在由平坦的活塞端部表面之間限定的圓柱體燃燒室中的燃燒期間，渦流推動火焰朝向汽缸孔，引起熱散失到(相對)更冷的汽缸壁上。渦流的更高速度矢量出現(xiàn)在汽缸壁附近，這提供了熱散失的最差情況高溫氣體具有傳遞熱量到該汽缸壁并且降低該發(fā)動機的熱效率的速度。活塞端部表面的外周也接收相對高的熱負(fù)載，這導(dǎo)致當(dāng)潤滑油在高發(fā)動機溫度下分解時，形成保留在活塞/汽缸界面內(nèi)的固態(tài)油焦殘留。相應(yīng)地，在這種對置發(fā)動機內(nèi)，希望當(dāng)噴射開始時保持增壓空氣湍流，同時緩和由渦流產(chǎn)生的不希望效果。在某些對置活塞燃燒室構(gòu)造中，湍流由擠流產(chǎn)生，該擠流從燃燒室的外周在汽缸的徑向方向流向汽缸的軸線。擠流由壓縮空氣的運動產(chǎn)生，該壓縮空氣從在活塞端部表面的這些外周的相對高壓區(qū)域移動到由在至少一個活塞端部表面內(nèi)形成的凹缽生成的低壓區(qū)域。擠流促進在燃燒室內(nèi)的增壓空氣湍流。例如，美國專利6，170，443披露了帶有一對 對置活塞的汽缸，這些活塞具有互補的端部表面構(gòu)造。圓形的凹陷在一個端部表面內(nèi)形成，該凹陷關(guān)于它的活塞的軸線是對稱的并且在它的中心上升到一個點。對置端部表面的外周具有凸形，在該凸形的中心形成半環(huán)面(半環(huán)形)的溝槽。當(dāng)這些活塞接近上止點TDC時，它們限定大體上環(huán)形的燃燒室，該燃燒室的中心在汽缸的縱向軸線上。該燃燒室由圓周的擠壓帶圍繞，該擠壓帶被限定在凹面形狀和凸面形狀之間。當(dāng)這些活塞接近上止點TDC時，該擠壓帶生成進入環(huán)形溝槽的方向朝內(nèi)的擠流并且創(chuàng)建出“接近上止點的高強度渦流”。見‘443專利的19欄的第25-27行。燃料在孔的徑向方向被噴射進入到環(huán)形的燃燒室。增加在燃燒室內(nèi)的增壓空氣的湍流就提高了空氣/燃料混合的效率。由渦流或者擠流支配增壓空氣運動確實實現(xiàn)一定程度的湍流。然而，當(dāng)噴射開始時希望創(chuàng)建增壓空氣運動的額外元素，以便產(chǎn)生增壓空氣的甚至更多湍流，以獲得比單獨用渦流或擠流更好的空氣/燃料混合。

發(fā)明內(nèi)容
關(guān)于上述目標(biāo)完成的本發(fā)明的一個方面是使活塞端部表面限定燃燒室，該燃燒室創(chuàng)建除了渦流和擠流之外的增壓空氣運動分量。關(guān)于上述目標(biāo)完成的本發(fā)明的另一個方面是使活塞端部表面限定燃燒室，該燃燒室與渦流和擠流相互作用以在該燃燒室內(nèi)產(chǎn)生增壓空氣運動內(nèi)一個或更多滾轉(zhuǎn)分量。優(yōu)選地，滾轉(zhuǎn)運動是增壓空氣的旋轉(zhuǎn)移動，該移動橫斷縱向軸線并且循環(huán)穿過汽缸的該縱向軸線。優(yōu)選地，該滾轉(zhuǎn)運動是增壓空氣圍繞汽缸孔的直徑循環(huán)的一種循環(huán)。在一個優(yōu)選的構(gòu)造中，燃燒室被限定在對置端部表面之間，燃燒室接壤擠氣區(qū)，該擠氣區(qū)限定至少一個擠流通路，該擠流通路相對于汽缸孔偏移。優(yōu)選地，該燃燒室由在至少一個活塞端部表面內(nèi)形成的凹缽限定。在一些實例中，該凹缽是蛤殼形狀的。在其他實例中，該凹缽具有細(xì)長的錐形柱體形狀。在一些方面，該凹缽具有細(xì)長的橢圓形形狀。在另一個優(yōu)選的構(gòu)造中，燃燒室由在上止點TDC的對置活塞的端部表面限定，其中一個活塞端部表面具有中心在該活塞的縱向軸線上的圓周區(qū)域，以及在該圓周區(qū)域內(nèi)的凹缽，并且另一活塞端部表面是平坦的。優(yōu)選地，燃燒室是蛤殼形的。在另一個優(yōu)選的構(gòu)造中，燃燒室被限定在對置活塞的端部表面之間，其中每個活塞端部表面具有中心在該活塞的縱向軸線上的圓周區(qū)域，以及在該圓周區(qū)域內(nèi)的凹缽，該凹缽限定了凹表面，該凹表面帶有從包含圓周接觸區(qū)域的平面朝向活塞的內(nèi)部向內(nèi)彎曲的第一部分，以及穿過包含圓周接觸區(qū)域的該平面從該活塞的內(nèi)部向外彎曲的第二部分。優(yōu)選地，該燃燒室具有細(xì)長的橢圓形形狀。仍然在另一個優(yōu)選的構(gòu)造中，提供一種用于操作內(nèi)燃發(fā)動機的方法，該內(nèi)燃發(fā)動機包括至少一個帶有縱向分離的排氣和進氣口的汽缸，以及一對對置布置的活塞，其用于在該汽缸的孔內(nèi)的往復(fù)運動，該方法通過以下步驟操作內(nèi)燃發(fā)動機形成燃燒室，該燃燒室具有當(dāng)這些活塞朝向各自的上止點TDC位置移動時，在這些活塞的端部表面之間的細(xì)長的橢圓形，生成增壓空氣的擠流，所述擠流具有相對于該燃燒室的主軸線偏移的方向，響應(yīng)擠流和渦流的增壓空氣，在該燃燒室中生成增壓空氣的至少一個滾轉(zhuǎn)運動，以及把燃料噴射進入到該燃燒室內(nèi)。


圖I是具有現(xiàn)有技術(shù)的對置活塞的對置發(fā)動機的汽缸的側(cè)截面部分示意圖，對置活塞接近各自的下止點位置，并且圖I適當(dāng)?shù)乇粯?biāo)記為“現(xiàn)有技術(shù)”。圖2是圖I中具有現(xiàn)有技術(shù)對置活塞的汽缸的側(cè)截面部分示意圖，這些對置活塞接近各自的上止點位置，在這些位置處這些活塞的平坦端部表面限定現(xiàn)有技術(shù)的燃燒室，并且圖2被適當(dāng)?shù)貥?biāo)記為“現(xiàn)有技術(shù)”。圖3是一對對置活塞的側(cè)部示意圖，其中這些活塞的端部表面限定第一燃燒室構(gòu)造。圖4是圖3的活塞中的一個的端視圖，示出帶有在其中形成的凹缽的端部表面。圖5和6是一對活塞的各自活塞的立面透視圖，其中形成這對活塞的端部表面以限定第二燃燒室構(gòu)造。圖7-9是側(cè)截面圖，示出對置活塞發(fā)動機的操作序列，該對置活塞發(fā)動機包括根據(jù)圖5和6的一對活塞。圖9A是圖9的一個部分的放大視圖，示出第二燃燒室構(gòu)造的更詳細(xì)細(xì)節(jié)。圖10是圖5的活塞的端視圖，示出活塞端部表面，該端部表面帶有在其中形成的凹缽以及燃料噴射模式。圖11是一對活塞中的一個的立面透視圖，其中形成該對活塞的完全相同的端部表面以限定第三燃燒室構(gòu)造。圖12-14是側(cè)截面圖，示出對置活塞發(fā)動機的操作序列，該對置活塞發(fā)動機包括根據(jù)圖11的一對活塞。圖15A是圖14中的一個部分的放大視圖，示出第三燃燒室構(gòu)造的更詳細(xì)細(xì)節(jié)。圖15B是圖15A的放大視圖，示出在第三燃燒室構(gòu)造中的擠氣和滾轉(zhuǎn)氣流。圖16是圖11的活塞中的一個的端視圖，示出端部表面，該端部表面帶有在其中形成的凹缽以及燃料噴射模式。
圖17A和17B是圖16的活塞端部表面視圖的示意說明圖，示出該端部表面和擠流之間的相互作用，圖17A不帶有渦流，而圖17B帶有渦流。
具體實施例方式在將被描述的燃燒室構(gòu)造內(nèi)，內(nèi)燃發(fā)動機包括帶有縱向分離的排氣和進氣口的至少一個汽缸。例如，參見圖I和2中不出的汽缸10。一對活塞被對置布置在該汽缸的孔內(nèi)，以及燃燒室結(jié)構(gòu)被限定在當(dāng)這些活塞朝向上止點位置移動時的這些活塞的對置端部表面之間。圓周區(qū)域在這些端部表面中的每個上限定外周。燃燒室包括限定在端部表面之間的腔體，并且具有至少一個開口，通過該開口燃料被噴射(下文稱“噴射口 ”)，該開口至少大體上在汽缸的徑向方向延伸并且通向該腔體。在內(nèi)燃發(fā)動機的操作期間，當(dāng)這些活塞靠近上止點TDC時，一個或更多個擠氣區(qū)引導(dǎo)壓縮空氣的氣流(被稱為“擠流”)在至少一個方向進入該燃燒室，該方向相對于孔的直徑方向偏移。這個過程被稱為“生成擠流”。端部表面生成擠流的這些部分被稱為擠流表面，并且被限定在這些擠流表面之間的凹槽被稱為擠流槽。擠流通過在燃燒室腔體內(nèi)的一 個或更多彎曲表面偏置或重新定向，進入在該腔體內(nèi)循環(huán)的至少一個滾轉(zhuǎn)運動。在下面的描述中，“燃料”指任何可以被用在對置活塞發(fā)動機中的燃料。該燃料可以為相對均質(zhì)的合成物或混合物。例如，該燃料可以為柴油燃料或任何可以被壓縮點火的其它可點火燃料。進一步，這些描述設(shè)想空氣/燃料混合物的壓縮造成的點火；然而，希望提供附加的機構(gòu)，比如，多個點火塞以協(xié)助壓縮點火。這些描述設(shè)想當(dāng)對置活塞位于或接近上止點TDC位置時，燃料噴射進入燃燒室內(nèi)的壓縮的氣體。該氣體優(yōu)選地為加壓的環(huán)境空氣；然而，它可以包括其它成分，比如排氣或其它稀釋劑。在任何這種情況下，該氣體被稱為“增壓空氣”。第一燃饒室構(gòu)造圖3是一對對置活塞的示意圖，該對對置活塞帶有端部表面，當(dāng)這些活塞接近各自的上止點TDC位置時，這些端部表面限定第一燃燒室構(gòu)造。其中布置這些活塞的汽缸由軸線代表，該軸線與這些活塞的軸線是共線的。該燃燒室包括一個活塞端部表面，其被成形以產(chǎn)生橫穿汽缸的軸線而彎曲的滾轉(zhuǎn)運動。這個構(gòu)造包括擠氣區(qū)，其中在這些端部表面之間的彎曲腔體重新定向朝向該擠氣區(qū)的中心流動的空氣進入滾轉(zhuǎn)運動。腔體被凹缽限定，該凹缽形成在這些活塞中一個的端部表面的一部分內(nèi)；優(yōu)選地，但不是必要地，該活塞是進氣活塞。該端部表面的平坦外周部分圍繞該凹缽。噴射口通過該外周部分進入該凹缽。優(yōu)選地但不是必須地，該噴射口被定向在到該活塞的徑向方向上。對置活塞(優(yōu)選地，排氣活塞)具有扁平的、基本上平的端部表面。空氣在活塞端部表面的平坦部分之間被壓縮，生成在汽缸的徑向方向移動進入到該凹缽內(nèi)的壓縮空氣的高速擠流。沿著凹缽的彎曲表面，該擠流的一部分從該徑向方向偏移或重新定向，以在燃燒室內(nèi)生成滾轉(zhuǎn)流，該滾轉(zhuǎn)流橫穿汽缸的軸線循環(huán)。優(yōu)選地，在與該滾轉(zhuǎn)運動相同的方向上，燃料被注入以便燃料能夠由滾轉(zhuǎn)空氣運動傳送。如果當(dāng)通過進氣口(未示出)進入汽缸時，增壓空氣最初是渦流的，那么在該燃燒室內(nèi)的增壓空氣的運動包括渦流、擠流和滾轉(zhuǎn)的元素。在圖3中，進氣活塞105和排氣活塞106處于或接近在帶有軸線135的汽缸內(nèi)的各自上止點TDC位置。根據(jù)圖4，進氣活塞105具有端部表面110，其中形成不規(guī)則形狀的、非圓形的凹缽120。在一些方面，凹缽120具有蛤殼的形狀。凹缽120朝向端部表面110的外周部分偏移，其中形成構(gòu)成噴射口的槽口 130。凹缽120被寬度變化的大平坦外周表面區(qū)域140基本環(huán)繞。該凹缽具有從包含表面區(qū)域140的平面朝向活塞105的內(nèi)部向內(nèi)彎曲的凹表面121。該凹表面是非對稱的。更具體地，如圖3中可見，凹表面121在橫截面內(nèi)具有類鉤子形狀，該橫截面從接近槽口 130的第一水平面過渡到第二水平面，該第二水平面比該第一水平面更深地進入活塞，接近活塞的中心，并且該橫截面然后通過凹切部分122循原路折返，該凹切部分122在槽口 130到唇部123的方向上彎曲回來。排氣活塞106的端部表面111是基本平坦的，不帶有凹缽。進一步參考圖3，隨著活塞105和106接近其各自的上止點TDC位置，在汽缸內(nèi)的空氣在端部表面110和111之間的收縮空間內(nèi)被壓縮，并且被夾帶在朝向該汽缸的軸線135的徑向擠流內(nèi)。隨著徑向移動的擠流進入凹缽120，它與彎曲的凹缽表面121相遇。彎曲的凹缽表面121重新定向徑向移動的擠流進入一個方向，該方向相對于該徑向方向偏移。隨著目前偏移的擠流橫跨汽缸軸線135，它與凹切部分122的向后急彎相遇并且朝向唇部123彎曲回來，該唇部123施加滾轉(zhuǎn)運動136，其中空氣橫向地循環(huán)穿過軸線135。經(jīng)由槽口 130燃料被噴射注入到滾轉(zhuǎn)空氣中。希望擠氣間隙(d)，也就是說，位于上止點TDC的活塞端部表面的平坦區(qū)域之間的距離，是非常小的；例如，我們已經(jīng)設(shè)計端部表面用于O. 2mm到
O.5mm的擠氣間隙。非常小的擠氣間隙強迫被壓縮的空氣以非常高的速率和能量級進入凹缽120，以在噴射開始時和噴射期間生成所需的滾轉(zhuǎn)。第二燃饒室構(gòu)造圖5_9、9A和10圖解說明第二燃燒室構(gòu)造，其中擠氣表面區(qū)域相對于第一構(gòu)造中的那些擠氣表面區(qū)域是增加的，以便提供相對更大的擠流速率并且生成相對更強的擠流運動，目的是相比于第一構(gòu)造促進更完整的燃料和氣體的混合。腔體被限定在帶有多個凹表面的凹缽之間，這些凹表面形成在對置活塞端部表面內(nèi)。就此而言，帶有凸伸側(cè)部的凹缽在對置活塞中每個的端部表面內(nèi)形成，并且這些活塞可旋轉(zhuǎn)地定向在汽缸內(nèi)，以彼此對置地放置這些凹缽的互補的凹/凸表面。這些互補的凹/凸表面部分限定擠流通道，這些擠流通道以相對于汽缸的直徑方向的不同方向被偏移。優(yōu)選地，盡管不是必須地，限定在這兩個端部表面之間的燃燒室腔體是細(xì)長的、非規(guī)則形狀的汽缸，該汽缸朝向每個端部逐漸縮小。燃燒室的封閉、連續(xù)彎曲的幾何形狀以及相對偏移的擠流生成并且維持滾轉(zhuǎn)運動，該滾轉(zhuǎn)運動橫穿汽缸軸線循環(huán)。我們已經(jīng)計算，這個燃燒室結(jié)構(gòu)能夠提供高于第一構(gòu)造的、達到3. 5倍的滾流比。在第二構(gòu)造中，噴射口沿著燃燒室的外周被定位，并且被定向在大體橫穿到燃燒室主軸線的方向，允許寬的噴射排列，該噴射排列能夠由帶有大量孔的噴射器噴嘴產(chǎn)生。優(yōu)選地，噴射口被定向成至少大體上在該主軸線的徑向或者垂直于該主軸線。在圖5中，進氣活塞180具有帶有平坦的圓周區(qū)域184的端部表面182，該圓周區(qū)域184的中心在活塞180的縱向軸線上。平坦的圓周區(qū)域184限定端部表面182的外周。凹缽186在該外周內(nèi)形成。凹缽186具有帶有第一部分190以及第二部分192的凹面188，該第一部分190從包含平坦圓周區(qū)域184的平面向內(nèi)彎曲并且朝向活塞180的內(nèi)部，第二部分192從活塞的內(nèi)部穿過包含平坦圓周區(qū)域184的該平面向外彎曲。槽口 194穿過該外周徑向地延伸進入凹缽186。端部表面182進一步包括在外周內(nèi)的凸表面195，其從包含平坦的圓周區(qū)域184的該平面向外彎曲。凸表面195與凹表面188的該第二部分192相接以形成脊196,該脊196從端部表面182向外凸伸。
根據(jù)圖6，排氣活塞200具有端部表面202，該端部表面202帶有中心在活塞200的縱向軸線上的平坦圓周區(qū)域204。該平坦圓周區(qū)域204限定端部表面202的外周。凹缽206在該外周內(nèi)形成。凹缽206從活塞200的縱向軸線偏移。凹缽206具有帶有第一部分210和第二部分212的凹表面208，該第一部分210從包含平坦圓周區(qū)域204的平面向內(nèi)彎曲，朝向活塞200的內(nèi)部，并且第二部分212穿過包含平坦圓周區(qū)域204的該平面從活塞的內(nèi)部向外彎曲。端部表面202進一步包括在該外周內(nèi)的凸表面215，該凸表面從包含平坦圓周區(qū)域204的該平面向外彎曲。該凸表面215與凹表面208的第二部分212相接以形成脊216，該脊216從端部表面202向外凸伸出來。槽口 214延伸穿過該外周和脊216并且進入凹缽206。與圖6可見的脊216到排氣活塞的端部表面202相比，圖5所見的脊196相對于進氣活塞的端部表面182是明顯更高的。與脊216到活塞200的軸線相比，脊196相對于活塞180的中心軸線也更中心定位。這些不對稱也給予第二構(gòu)造的燃燒室和擠氣區(qū)稍微不對稱的形狀?，F(xiàn)在參考圖7，示出處于或接近汽缸220內(nèi)部的各自下止點BDC位置的兩個活塞·180和200。這些活塞在汽缸220的孔內(nèi)被可旋轉(zhuǎn)地定向，以便槽口 194、214相互對齊?？諝馔ㄟ^進氣口 224被引導(dǎo)進入汽缸220，而排氣產(chǎn)品通過排氣口 226流出汽缸。當(dāng)根據(jù)圖8這些活塞從下止點BDC向上止點TDC移動時，這些氣口被關(guān)閉并且在汽缸內(nèi)的空氣在端部表面182和202之間被逐漸增壓壓縮。參考圖8、9和9A，當(dāng)這些活塞接近上止點TDC時，被壓縮的空氣在脊196的凸表面195與凹表面部分210之間被擠壓，并且在脊216的凸表面215與凹表面部分190之間也被擠壓。這些受擠壓的空氣流入燃燒室空間240，該燃燒室空間240被限定在端部表面182和202之間，在這里受擠壓的空氣由凹表面部分192和212偏置進入滾轉(zhuǎn)運動228。從圖9和9A可以明顯地看到，當(dāng)活塞180和200移動通過它們各自的上止點TDC位置時，表面196和216緊密配合對置的凹表面部分210和190，給予燃燒室空間240不規(guī)則圓柱體的形狀。見圖9A和10，由槽口 194和214限定的噴射口沿著燃燒室空間240的外周被定位并且被定向為在活塞的大體徑向或者橫穿燃燒室“主軸線”242，允許由噴射器噴嘴250產(chǎn)生的寬噴霧248。優(yōu)選地，該噴射口相對于活塞180和200被徑向地定向或者垂直于主軸線242被定向。由噴射器噴嘴250噴射進入燃燒室空間240的燃料248由凹表面部分192偏置進入與滾轉(zhuǎn)空氣的混合物，因此良好保持空氣/燃料混合物在燃燒室空間240內(nèi)并且遠(yuǎn)離汽缸壁。第三燃燒室構(gòu)造圖11_14、15A、15B和16圖解說明第三燃燒室構(gòu)造，該構(gòu)造由對置活塞發(fā)動機的帶口汽缸內(nèi)布置的對置活塞的互補端部表面結(jié)構(gòu)限定。該第三燃燒室構(gòu)造由擠氣表面區(qū)域界定，這些擠氣表面區(qū)域大于第一和第二構(gòu)造的擠氣區(qū)域，以便提供和第一和第二構(gòu)造相比的相對更大擠流速率并且生成相對更強的擠流運動。在對置活塞的端部表面內(nèi)形成相同的大體上對稱的凹缽，并且這些活塞被可旋轉(zhuǎn)地定向從而以對置方式放置凹缽的互補彎曲表面，目的是使擠流區(qū)的擠流表面區(qū)域最大化。每個活塞的端部表面結(jié)構(gòu)具有圍繞凹缽的外周，該凹缽限定凹表面。該凹表面包括第一部分和第二部分，第一部分遠(yuǎn)離包含該外周表面的平面、朝向活塞的內(nèi)部彎曲，并且第二部分遠(yuǎn)離第一部分彎曲并且從該平面部分地向外凸伸出來。相對該凹缽的凸表面遠(yuǎn)離該外周彎曲，并且從該平面向外地凸伸。凸表面與凹表面的第二部分相遇由此以形成脊。優(yōu)選地，但不是必須地，凹缽具有半橢圓形形狀。端部表面結(jié)構(gòu)被提供在兩個活塞上，并且這些活塞被布置在有裝配氣門的汽缸的孔內(nèi)，它們的端部表面被定向從而以對置方式放置端部表面結(jié)構(gòu)的互補的彎曲表面，以便限定燃燒室。優(yōu)選地，但不是必須地，限定在兩個端部表面之間的燃燒室空間是或者非常接近于細(xì)長的橢圓形柱體，提供大體上對稱的幾何形狀以加強并保持滾轉(zhuǎn)運動。據(jù)估計，這個燃燒室結(jié)構(gòu)提供是第二構(gòu)造的滾流比的兩倍的滾流t匕。在第三構(gòu)造中，希望至少一個噴射口被定位在燃燒室的主軸線上。限定第三構(gòu)造的這些活塞端部表面的結(jié)構(gòu)大致上彼此一樣；相應(yīng)地，圖11中示出的活塞280既代表進氣活塞也代表排氣活塞?；钊?80具有端部表面282。中心在活塞280的縱軸線上的平坦圓周區(qū)域284限定端部表面282的外周。凹缽286形成在該外周內(nèi)。凹缽286具有凹表面288，該凹表面288帶有從包含該平坦圓周區(qū)域284的平面、朝向活塞280的內(nèi)部向內(nèi)彎曲的第一部分290，以及通過該平面從該活塞的內(nèi)部向外彎曲的第二部分292。端部表面282進一步包括在該外周內(nèi)的凸表面295，該凸表面295從該平面向外彎曲。凸表面295與凹表面288的第二部分292相遇以形成脊296，該脊296從端部表面282向外凸伸。至少一個槽口 294通過該外周延伸進入凹缽286 ;優(yōu)選地，提供兩個對齊的槽口 294?，F(xiàn)在參考圖12-14，具有根據(jù)圖11所示的端部表面的兩個活塞280被示出為位于或接近帶口的汽缸220內(nèi)的各自的下止點BDC位置。這些活塞被可旋轉(zhuǎn)地定下在汽缸220的孔內(nèi)，以便對齊互補的端部表面；這就是說，一個活塞280的凹表面部分290面向另一個活塞的凸表面295。增壓空氣通過進氣口 224被強迫進入該汽缸，而排氣產(chǎn)品通過排氣口226流出汽缸。為了凈化以及空氣/燃料混合，當(dāng)增壓空氣穿過進氣口 224時，引起增壓空氣渦流。根據(jù)圖13，隨著活塞280從下止點BDC朝向上止點TDC移動時，進氣和排氣口 224和226關(guān)閉并且渦流的增壓空氣在這些端部表面282之間逐漸地被壓縮。參考圖15A和15B，當(dāng)活塞280接近上止點TDC時，壓縮的空氣從這些端部表面的外周通過擠流通道299流動，這些擠流通道299被限定在凹凸表面對290、295之間。這些擠流空氣流流動進入燃燒室300，該燃燒室300具有在端部表面凹缽之間限定的腔體。同時，更接近汽缸的縱向軸線的被壓縮的增壓空氣繼續(xù)渦流。當(dāng)這些活塞280移動通過它們各自的TDC上止點位置時，對置的凹凸表面290、295彼此緊密配合以給予燃燒室腔體細(xì)長的大體橢圓形的形狀。在這些端部表面282內(nèi)對置的一對槽口 294 (見圖11)限定多個噴射口 303 (見圖15A)，這些噴射口在該橢圓形的相對極位置進入燃燒室300。根據(jù)圖16，該細(xì)長的、橢圓形形狀具有主軸線302，該主軸線在該相對極位置之間延伸。換言之，這些噴射口 303沿著主軸線302對齊。端部表面282以及增壓空氣之間的相互作用在圖17A和17B中被描述。圖17A示出進入燃燒室300的擠流，而沒有增壓空氣渦流；圖17B圖解說明這些擠流如何影響渦流以及如何受到渦流的影響。當(dāng)活塞朝向上止點TDC移動時，擠壓區(qū)域(在對置的凹凸表面對290,295之間)產(chǎn)生局部高壓，該高壓引導(dǎo)增壓空氣的擠流進入燃燒室300的中心區(qū)域。就此而言，參考圖15A，15B和17A，在噴射開始時，當(dāng)活塞接近它們各自的TDC上止點位置時，凹凸表面對290、295生成進入燃燒室300的擠流341、342。如圖15B中圖解說明的，這些擠流被相對地引導(dǎo)、是平行的并且相對于主軸線302偏置。當(dāng)這些擠流與向外定向的端部表面部分292相遇時，這個空間關(guān)系引起產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)運動343。就此而言，滾轉(zhuǎn)運動是在燃燒室內(nèi)的增壓空氣的一種循環(huán)運動，該運動至少大體上橫穿汽缸的縱向軸線；在滾轉(zhuǎn)運動343的情況下，循環(huán)是大體上圍繞主軸線302的。根據(jù)圖17B，當(dāng)渦流347被添加到增壓空氣運動時，渦流運動，取決于它的強度，抵消或克服在燃燒室區(qū)域348內(nèi)的擠流，并且增強在燃燒室區(qū)域349之間的界面處的擠流。和單獨的擠流相比，這些渦流加擠流相互作用生成更強烈的圍繞主軸線302的滾轉(zhuǎn)運動。建模指示，隨著初始渦流的強度增加，接近上止點TDC產(chǎn)生的這個滾轉(zhuǎn)運動的強度也增加。此外，在燃燒室300內(nèi)渦流加擠流與活塞的端部表面的相互作用產(chǎn)生圍繞與主軸線正交的軸線的第二滾轉(zhuǎn)運動。例如，這樣的軸線對應(yīng)于或者大體上平行于細(xì)長的橢圓形的赤道直徑。因此，在噴射開始時，在燃燒室300內(nèi)的增壓空氣的湍流運動包括渦流分量、射入的擠流以及圍繞正交的滾轉(zhuǎn)軸線的滾轉(zhuǎn)分量。參考圖15A、15B和16，燃料248由對置的噴射器250噴射進入在燃燒室空間300內(nèi)的滾轉(zhuǎn)空氣。根據(jù)第三構(gòu)造，燃燒室是大體上相對于汽缸和活塞的縱向軸線居中的。當(dāng)活塞接近上止點TDC時，至少一對對齊的槽口 294限定至少一個噴射口 303，其通入燃燒室腔體300。該至少一個排氣口 303被定位在處于或接近燃燒室的一個端部，與燃燒室的主軸線302對齊，以便燃料煙霧248被限制在對置的凹表面部分292之間并且由這些部分292引 導(dǎo)。優(yōu)選地，兩個燃料噴射口在燃燒室腔體300的每一端被提供，與燃燒室的主軸線對齊，并且燃料從兩個對置噴射器250通過這些噴射口被噴射。在一些方面，希望噴射燃料的至少一種噴霧進入具有細(xì)長的橢圓形狀的燃燒室。然而，優(yōu)選的是噴射燃料的一對相對噴霧進入由渦流加擠流相互作用在該燃燒室內(nèi)生成的湍流增壓空氣運動，在這里該對置噴霧在該燃燒室內(nèi)相遇并且形成燃料的云霧，由于湍流作用，該云霧很好地與被壓縮的增壓空氣混合。參考圖16，該視圖是位于或接近汽缸220的縱向中點的一個部分視圖，直接看到汽缸的孔221中，朝向活塞端部表面282看去，該活塞端部表面282被布置在該孔內(nèi)的一個位置上，該位置上它和未看到的活塞端部表面限定燃燒室300。汽缸的軸線由參考號223標(biāo)示。根據(jù)第三構(gòu)造，燃燒室300基本上是相對于該汽缸的軸線223縱向居中。燃料噴射器250和布置在噴射口 265的、它們的噴嘴尖端251 —起被定位。每個噴射器噴嘴尖端有一個或更多孔，通過這些孔燃料248被噴射通過各自的噴射口，進入到燃燒室300。優(yōu)選地，每個噴射器尖端251以發(fā)散模式噴霧燃料248，該模式和噴射口 303對齊并且沿著橢圓燃燒室300的主軸線302穿行噴射口 303，進入該燃燒室300的中心部分。優(yōu)選地，對置噴霧模式的燃料被噴射進入在燃燒室300內(nèi)的湍流空氣運動。在一些方面，對置噴霧模式在位于或接近燃燒室的中心相遇并且形成燃料液滴的一種云霧，這種云霧混合增壓空氣，該增壓空氣具有復(fù)合的湍流運動，該湍流運動包括渦流、擠流以及滾轉(zhuǎn)分量。優(yōu)選地，但不是必須地，這些燃料噴射器250被布置成使得它們的軸線A彼此成一條直線并且在孔221的直徑方向上。這引起噴射器尖端沿著汽缸220的直徑被對置定向，汽缸220的直徑與該主軸線302對齊。在上文中說明和描述的燃燒室構(gòu)造打算用于對置活塞的燃燒-點火發(fā)動機中，這些發(fā)動機對迫使進入氣缸的進氣施加渦流。雖然如此，燃燒室構(gòu)造能夠被使用在那些不使增壓空氣形成渦流的對置活塞燃燒-點火發(fā)動機內(nèi)?；钊完P(guān)聯(lián)的汽缸由鑄鐵和/或機械加工的金屬材料制成。例如，活塞可以由被組裝到活塞頭的活塞裙組成，在該活塞頭上形成活塞端部表面。作為進一步的舉例，但是不排除其它的材料，活塞頭可以包括高碳素鋼比如41-40或43-40的材料，并且該活塞裙可以使4032-T651鋁來形成。在這種情況下，汽缸優(yōu)選地包括鑄鐵組合物。盡管已經(jīng)以關(guān)于優(yōu)選的多個結(jié)構(gòu)詳細(xì)描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解，可以做出多種修改而不背離本發(fā)明的精神。相應(yīng)地,本發(fā)明也僅由以下的 權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種用于內(nèi)燃發(fā)動機的燃燒室結(jié)構(gòu)，該燃燒室結(jié)構(gòu)包括帶有縱向分離的排氣口和進氣口的至少一個汽缸以及一對彼此相對布置在該汽缸的孔內(nèi)的活塞，其中該燃燒室結(jié)構(gòu)包括限定在這些活塞的相對端部表面的外周區(qū)域之間的擠氣區(qū)、限定在這些端部表面之間的細(xì)長腔體、以及通過所述擠氣區(qū)延伸進入到該腔體的至少一個噴射口。
2.如權(quán)利要求I所述的燃燒室結(jié)構(gòu)，其中該腔體被限定在第一端部表面內(nèi)的凹缽與該第二端部表面的平面之間。
3.如權(quán)利要求2所述的燃燒室結(jié)構(gòu)，其中該凹缽具有蛤殼形狀。
4.如權(quán)利要求I所述的燃燒室結(jié)構(gòu)，其中該腔體被限定在第一端部表面內(nèi)的凹缽和該第二端部表面內(nèi)的凹缽之間。
5.如權(quán)利要求4所述的燃燒室結(jié)構(gòu)，其中每個活塞的凹缽是限定凹表面的凹缽，具有從所述端部表面朝向該活塞的內(nèi)部向內(nèi)彎曲的第一部分以及從所述端部表面向外凸伸的第二部分。
6.如權(quán)利要求5所述的燃燒室結(jié)構(gòu)，其中所述腔體具有大體上伸長的橢圓形形狀。
7.如權(quán)利要求I所述的燃燒室結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個噴射口大體上徑向地延伸穿過所述擠氣區(qū)。
8.一種內(nèi)燃發(fā)動機，該發(fā)動機包括帶有縱向分離的排氣口和進氣口的至少一個汽缸以及一對彼此相對布置在該汽缸的孔內(nèi)的活塞，其中燃燒室結(jié)構(gòu)被限定在這些活塞的相對端部表面之間，并且這些活塞中的至少一個的端部表面具有圓周區(qū)域，該圓周區(qū)域限定該端部表面的外圍并且該端部表面具有在該外圍內(nèi)的凹缽，該凹缽限定凹表面，具有從包含圓周接觸區(qū)域的平面朝向該活塞的內(nèi)部向內(nèi)彎曲的第一部分和從該活塞的內(nèi)部穿過包含圓周接觸區(qū)域的所述平面向外彎曲的第二部分。
9.如權(quán)利要求8所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其中每個凹缽具有大體上半橢圓形的形狀。
10.如權(quán)利要求8所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其中相對的活塞被定向在所述孔內(nèi)，從而使得當(dāng)這些活塞靠近在所述孔內(nèi)的各自上止點(TDC)位置時，具有細(xì)長橢圓形形狀的燃燒室被限定在所述凹缽之間。
11.如權(quán)利要求10所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其中在所述汽缸內(nèi)在所述燃燒室的主軸線上的位置提供至少一個噴射口。
12.如權(quán)利要求8所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其中相對的活塞被定向在所述孔內(nèi)，以便使得當(dāng)這些活塞靠近各自的上止點(TDC)位置時，具有細(xì)長的錐形柱體形狀的燃燒室被限定在所述凹缽之間并且至少一個噴射口被提供在所述汽缸內(nèi)并且位于橫向于所述燃燒室的主軸線的直線上。
13.如權(quán)利要求12所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其中所述噴射口被提供在所述汽缸內(nèi)大體垂直于所述燃燒室的主軸線的直線上。
14.如權(quán)利要求8所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其中每個端部表面進一步包括在所述外周內(nèi)的凸表面，所述凸表面從包含圓周接觸區(qū)域的所述平面向外彎曲，并且所述凸表面與所述凹表面的所述第二部分相接以形成脊。
15.如權(quán)利要求14所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其中相對的活塞被定向在所述孔內(nèi)，以便使當(dāng)這些活塞在所述孔內(nèi)靠近各自的上止點位置時，每個活塞端部表面的所述凸表面與另一個活塞的凹表面的第二部分限定擠氣區(qū)。
16.如權(quán)利要求15所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其中在每個擠氣區(qū)內(nèi)的相對凹表面和凸表面部分引起朝向腔體流動的擠流，當(dāng)所述活塞在所述孔內(nèi)靠近各自的上止點位置時，所述腔體被限定在所述凹缽之間。
17.如權(quán)利要求16所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其中在所述汽缸中在所述腔體的主軸線上的位置提供至少一個噴射口。
18.如權(quán)利要求16所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其中在所述汽缸內(nèi)在橫向于所述腔體的縱向軸線的直線上提供至少一個噴射口。
19.如權(quán)利要求18所述的內(nèi)燃發(fā)動機，其中在所述汽缸內(nèi)在大體上垂直于所述腔體的縱向軸線的直線上提供所述噴射口。
20.—種具有用于和相對活塞的端部表面一起限定燃燒室的端部表面的活塞,其中該端部表面具有中心在該活塞的縱向軸線上的圓周區(qū)域以限定該端部表面的外周并且該端部表面具有在該外周內(nèi)的凹缽，該凹缽限定凹表面，帶有從包含圓周接觸區(qū)域的平面朝向該活塞的內(nèi)部向內(nèi)彎曲的第一部分，以及通過該平面從該活塞的內(nèi)部向外彎曲的第二部分。
21.如權(quán)利要求20所述的活塞，其中該端部表面進一步包括凸表面，其在所述外周內(nèi)并且從包含圓周接觸區(qū)域的所述平面向外彎曲，并且所述凸表面和所述凹表面的第二部分相接以形成脊。
22.如權(quán)利要求20所述的活塞，其中所述凹缽具有半橢圓形的形狀。
23.如權(quán)利要求21所述的活塞，其中在所述凹缽的主軸線上的位置，在所述外周內(nèi)提供至少一個槽口。
24.如權(quán)利要求21所述的活塞，其中在橫向于所述凹缽的主軸線的直線上，在所述外周內(nèi)提供至少一個槽口。
25.如權(quán)利要求24所述的活塞，其中在大體上垂直于所述大體上半橢圓形的縱向軸線的一條直線上，在所述外周內(nèi)提供所述槽口。
26.一種用于操作內(nèi)燃發(fā)動機的方法，該發(fā)動機包括帶有縱向分離的排氣口和進氣口的至少一個汽缸，以及一對在所述汽缸的孔內(nèi)互相相對布置的活塞，通過當(dāng)這些活塞在所述孔內(nèi)從各自的下止點位置移動時允許空氣穿過所述進氣口進入所述孔，隨著這些活塞在所述孔內(nèi)朝向各自的上止點位置移動，引起在這些活塞的相對端部表面之間的空氣進氣內(nèi)的滾轉(zhuǎn)運動，并且噴射燃料進料進入燃燒室。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，包括將所述活塞的外層端部表面上的相對凹缽移動到一起，以限定具有細(xì)長橢圓形形狀的燃燒室。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，其中噴射燃料進料進入空氣進氣包括沿著所述燃燒室的主軸線噴射該燃料。
29.如權(quán)利要求26所述的方法，其中噴射燃料進料進入空氣進氣包括在所述燃燒室的主軸線各處噴射該燃料。
30.如權(quán)利要求29所述的活塞，其中噴射燃料進料進入空氣進氣包括垂直于所述主軸線噴射該燃料。
31.如權(quán)利要求26所述的方法，其中渦流運動被施加到允許進入所述孔的空氣中。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，包括將所述活塞的外層端部表面上的相對凹缽移動到一起，以限定具有細(xì)長橢圓形形狀的燃燒室，該橢圓形具有主軸線。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其中噴射燃料進料進入空氣進氣包括沿著所述主軸線噴射該燃料。
34.一種用于操作內(nèi)燃發(fā)動機的方法，該發(fā)動機包括帶有縱向分離的排氣口和進氣口的至少一個汽缸，以及對置布置的用于在所述汽缸的孔內(nèi)往復(fù)運動的一對活塞，通過當(dāng)所述活塞在所述孔內(nèi)朝向各自的上止點位置移動時在所述活塞的端部表面之間形成具有細(xì)長橢圓形形狀的燃燒室，在相對于該細(xì)長橢圓形形狀的主軸線偏移的方向上，提供增壓空氣的擠流進入到所述燃燒室，響應(yīng)所述擠流和渦流的增壓空氣在所述燃燒室內(nèi)生成增壓空氣的至少一個滾轉(zhuǎn)運動，以及把燃料噴射到所述燃燒室中。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其中噴射燃料進料進入所述燃燒室包括沿著所述主軸線噴射該燃料。
36.如權(quán)利要求34所述的方法，其中生成至少一個滾轉(zhuǎn)運動包括生成圍繞主軸線的第一滾轉(zhuǎn)運動以及生成圍繞垂直于所述主軸線的軸線的第二滾轉(zhuǎn)運動。
37.如權(quán)利要求34所述的方法，其中噴射燃料進料進入所述燃燒室包括沿著所述主軸線噴射相對的燃料噴霧。
全文摘要
一種用于對置活塞發(fā)動機的燃燒室，該燃燒室包括在這些活塞的相對端部表面的圓周外圍區(qū)域之間被限定的擠氣區(qū)，由在這些端部表面中的一個或更多個凹缽限定的腔體，以及徑向延伸通過該擠氣區(qū)進入該腔體的至少一個噴射口。該腔體具有橫截面形狀，該形狀對從該擠氣區(qū)進入該腔體的氣流施加滾轉(zhuǎn)運動。
文檔編號F02B23/06GK102947545SQ201180021624
公開日2013年2月27日 申請日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月27日
發(fā)明者K·B·富卡, F·G·勒東, H·申, M·H·瓦爾, B·M·倫斯基 申請人:阿凱提茲動力公司