具有燃燒碗形狀以平衡燃燒效率和排放性質(zhì)的活塞的制作方法
【專利說(shuō)明】具有燃燒碗形狀從平衡燃燒效率和排放性質(zhì)的活塞
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)案是2011年4月18日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)案第13088659號(hào)的繼續(xù)部分， 其請(qǐng)求于2010年4月20日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案第61/326, 161號(hào)的申請(qǐng)日的權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明總體設(shè)及用于壓燃式內(nèi)燃機(jī)中的類型的活塞，并且更具體地設(shè)及一種具有 弧形內(nèi)邊緣表面和在弧形內(nèi)邊緣表面與燃燒碗之間的突然過(guò)渡的活塞燃燒面。
【背景技術(shù)】
[0004] 多種操作策略和組件幾何結(jié)構(gòu)在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域是已知的。工程師用了數(shù)十年試驗(yàn)不 同的方法來(lái)操作燃料加注、排氣、進(jìn)氣和其他發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，W及不同的方法來(lái)設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)組 件的形狀和比例。運(yùn)種試驗(yàn)背后的一個(gè)動(dòng)機(jī)已平衡了減少發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口某些排放的通常的 競(jìng)爭(zhēng)顧慮，W及優(yōu)化效率。內(nèi)燃機(jī)通常燃燒空氣和碳氨化合物燃料。燃料和空氣的燃燒產(chǎn) 生來(lái)自內(nèi)燃機(jī)的排氣，其可包括各種化合物和物質(zhì)，例如煙灰、粉塵、未燃燒的碳氨化合物、 水、二氧化碳、一氧化碳和各種其他有機(jī)和無(wú)機(jī)物質(zhì)。 陽(yáng)0化]近年來(lái)，減少氮氧化物（統(tǒng)稱為"NOx")的排放和減少一般包括煙灰和粉塵的顆粒 物已經(jīng)成為了內(nèi)燃機(jī)研究的特別關(guān)注點(diǎn)。遺憾的是，減少運(yùn)些不需要的排氣成分通常會(huì)W 降低效率性質(zhì)（例如燃料效率和/或可達(dá)到的發(fā)動(dòng)機(jī)速度或功率）為代價(jià)。如上所述，發(fā) 動(dòng)機(jī)的組件形狀和操作參數(shù)運(yùn)些年來(lái)W幾乎無(wú)數(shù)的方式變化。特別關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域設(shè)及嘗 試將活塞燃燒面的成型為使得某種排氣排放減少，而不會(huì)降低效率。
[0006] 一種設(shè)及減少排放而不會(huì)過(guò)分犧牲效率的常見(jiàn)活塞設(shè)計(jì)包括由活塞的燃燒面限 定的燃燒碗，所述燃燒面暴露于且限定發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的一部分。據(jù)信，在燃燒過(guò)程中，燃燒 碗可能影響氣體和霧化液體燃料的流動(dòng)和燃燒性質(zhì)，使得燃燒產(chǎn)物的組成可針對(duì)不同目的 進(jìn)行調(diào)整。如上所述，通常期望的是，減少NOx和顆粒物，而不過(guò)分影響燃燒效率。
[0007] 目前，盡管針對(duì)活塞燃燒碗進(jìn)行了大量研究和商業(yè)設(shè)計(jì)，但是在燃燒過(guò)程中設(shè)及 碗形狀或形狀組合的燃燒學(xué)還未被充分了解。眾所周知的是，即使對(duì)于燃燒碗幾何結(jié)構(gòu)做 出的相對(duì)小的修改可對(duì)燃燒產(chǎn)物的類型和相對(duì)比例產(chǎn)生顯著影響。由于缺少足夠了解，本 領(lǐng)域?qū)τ谌绾螌?shí)現(xiàn)任何特定目標(biāo)集合提供相對(duì)較少指導(dǎo)。工程師已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多不同變量， 其知道運(yùn)些變量將對(duì)排放和/或效率產(chǎn)生一些影響，但是運(yùn)些變量W及其他因素的分組卻 通常不會(huì)產(chǎn)生令人滿意且可預(yù)測(cè)的結(jié)果。開(kāi)發(fā)一種合適的設(shè)計(jì)通常需要數(shù)年的研究和開(kāi) 發(fā)，包括充分應(yīng)用、測(cè)試和領(lǐng)域分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 在一個(gè)方面，提供了一種活塞，其用于在具有15:1至16:1的壓縮比的直接噴 射壓燃式內(nèi)燃機(jī)中平衡燃燒效率與NOx產(chǎn)生和煙霧產(chǎn)生，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)具有1或小于1 的滿旋比，燃燒碗直徑與氣缸孔直徑的比為0. 68到0. 74,并且其中燃料噴射噴霧角大于由 燃燒碗內(nèi)的活塞的圓錐形突出部限定的錐角。活塞包括活塞體，其具有限定縱向活塞軸線 的外圓柱形表面；軸向活塞端，其包括限定復(fù)合燃燒碗的燃燒面；W及位于軸向活塞端且 從燃燒碗徑向向外延伸至外圓柱形表面的復(fù)合邊緣。復(fù)合燃燒碗包括位于圓錐形突出部上 的凸?fàn)顑?nèi)碗表面和凹狀外碗表面，且所述復(fù)合邊緣包括鄰接外圓柱形表面的平坦外邊緣表 面和鄰接復(fù)合燃燒碗的凸?fàn)顑?nèi)邊緣表面。錐角等于約135°或小于135°，凹狀外碗表面限 定13mm至16mm的第一曲率半徑，且凸?fàn)顑?nèi)碗表面與凹狀外碗表面連續(xù)過(guò)渡。凸?fàn)顑?nèi)邊緣表 面與凹狀外碗表面在復(fù)合燃燒碗的邊緣處突然過(guò)渡，且凸?fàn)顑?nèi)邊緣表面限定40mm至70mm 的第二曲率半徑，從而碗邊緣從由平坦外邊緣表面限定的平面軸向凹陷，使得當(dāng)活塞處于 發(fā)動(dòng)機(jī)中的上止點(diǎn)中屯、位置時(shí)，氣體從裂縫被擠壓，所述裂縫具有向外縮小的錐形且部分 地由氣缸蓋限定且部分由復(fù)合邊緣限定。
[0009] 在另一個(gè)方面，提供一種活塞，其用于在直接噴射壓燃式內(nèi)燃機(jī)中平衡燃燒效率 與NOx產(chǎn)生和煙霧產(chǎn)生?；钊ɑ钊w，其具有限定縱向活塞軸線的外圓柱形表面；軸向 活塞端，其包括限定復(fù)合燃燒碗的燃燒面；W及復(fù)合邊緣，其位于軸向活塞端上且從燃燒碗 徑向向外延伸至外圓柱形表面。復(fù)合燃燒碗包括凸?fàn)顑?nèi)碗表面，其位于圓錐形突出部上并 限定錐角，W及凹狀外碗表面，其從內(nèi)碗表面徑向向外延伸并限定第一曲率半徑。復(fù)合邊緣 包括平坦外邊緣表面，其鄰接外圓柱形表面，W及凸?fàn)顑?nèi)邊緣表面，其鄰接復(fù)合燃燒碗并限 定第二曲率半徑。凸?fàn)顑?nèi)碗表面與凹狀外碗表面連續(xù)過(guò)渡，且凸?fàn)顑?nèi)邊緣表面與凹狀外碗 表面在復(fù)合燃燒碗的邊緣處突然過(guò)渡。復(fù)合燃燒碗限定碗直徑，且活塞體限定活塞體直徑， 其大于碗直徑的約33%。錐角為約135°或小于135°，第一曲率半徑為13mm至16mm，且 第二曲率半徑為40mm至70mm。
[0010] 在另一個(gè)方面，直接噴射壓燃式內(nèi)燃機(jī)包括發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，其限定具有138mm至 146mm的氣缸孔直徑的氣缸孔且包括均與氣缸孔流體連通的進(jìn)氣通道和排氣通道，W及與 發(fā)動(dòng)機(jī)殼體禪合的氣缸蓋。燃料噴射器安裝在氣缸蓋中并配置成直接將燃料噴射到氣缸孔 中，所述燃料噴射器具有限定噴射角的多個(gè)噴射孔。發(fā)動(dòng)機(jī)還包括活塞，其用于在氣缸中燃 燒燃料和空氣的混合物期間平衡燃燒效率與NOx產(chǎn)生和煙霧產(chǎn)生?；钊ɑ钊w，其具 有限定縱向活塞軸線的外圓柱形表面，及軸向活塞端，其包括限定復(fù)合燃燒碗的燃燒面，且 其中燃燒碗的直徑與氣缸孔的直徑的比為0. 68至0. 74?；钊M(jìn)一步包括在燃燒碗內(nèi)的圓 錐形突出部，和在徑向向外方向上從燃燒碗延伸至外圓柱形表面的復(fù)合邊緣。燃燒碗包括 位于圓錐形突出部上的凸?fàn)顑?nèi)碗表面和凹狀外碗表面，且復(fù)合邊緣包括鄰接外圓柱形表面 的平坦外邊緣表面和鄰接燃燒碗的凸?fàn)顑?nèi)邊緣表面。圓錐形突出部限定錐角，所述錐角小 于噴射角且約為135°或小于135°，凹狀外碗表面限定13mm至16mm的第一曲率半徑，且 凸?fàn)顑?nèi)碗表面與凹狀外碗表面連續(xù)過(guò)渡。凸?fàn)顑?nèi)邊緣表面與凹狀外碗表面在燃燒碗的邊緣 處突然過(guò)渡，且凸?fàn)顑?nèi)邊緣表面限定40mm至70mm的第二曲率半徑，使得當(dāng)活塞處于上止點(diǎn) 中屯、位置處時(shí)，具有在徑向向外方向上縮小的錐形的裂縫部分由氣缸蓋限定且部分由復(fù)合 邊緣限定。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的具有活塞的壓燃式內(nèi)燃機(jī)的側(cè)剖視示意圖；
[0012] 圖2是由圖1的活塞的外表面限定的輪廓的側(cè)面示意圖；
[0013] 圖3是圖2所示的輪廓的一部分的詳細(xì)示意圖；
[0014] 圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的壓燃式內(nèi)燃機(jī)的某些幾何參數(shù)的圖表；
[0015] 圖5a是圖示了對(duì)于斜面邊緣活塞和弧形邊緣活塞的NOx與AVL煙霧的權(quán)衡的曲 線圖；
[0016] 圖化是圖示了對(duì)于斜面邊緣活塞和弧形邊緣活塞的NOx與BSFC的權(quán)衡的曲線 圖； 陽(yáng)017] 圖6a是圖示了對(duì)于豎直碗狀活塞和凹角碗狀活塞的NOx與A化煙的權(quán)衡的曲線 圖；
[0018] 圖化是圖示了對(duì)于豎直碗狀活塞和凹角碗狀活塞的NOx與BSFC的權(quán)衡的曲線 圖；
[0019] 圖7a是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的活塞的一部分的側(cè)剖視不意圖；
[0020] 圖化是類似于圖7a的側(cè)剖視示意圖，其指示額外幾何屬性且包括詳細(xì)放大部 分；
[0021] 圖8是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的活塞的一部分的側(cè)剖視示意圖，且包括詳細(xì)放大部分；
[0022] 圖9是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的活塞的一部分的側(cè)剖視示意圖，且包括詳細(xì)放大部分；
[0023] 圖10是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的活塞的一部分的側(cè)剖視示意圖，且包括詳細(xì)放大部分；
[0024] 圖11是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的活塞的一部分的側(cè)剖視示意圖，且包括詳細(xì)放大部分； [00巧]圖12是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的活塞的一部分的側(cè)剖視示意圖，且包括詳細(xì)放大部分； [00%] 圖13是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的活塞的一部分的側(cè)剖視示意圖，且包括詳細(xì)放大部分；
[0027] 圖14是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的活塞的一部分的側(cè)剖視示意圖，且包括詳細(xì)放大部分；
[0028] 圖15是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的活塞的一部分的側(cè)剖視示意圖，且包括詳細(xì)放大部分； 及
[0029] 圖16是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的具有活塞的壓燃式內(nèi)燃機(jī)的側(cè)剖示意視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 參考圖1，示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)10。發(fā)動(dòng)機(jī)10可W包括直接噴射壓燃 式內(nèi)燃機(jī)，例如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)10可W進(jìn)一步包括發(fā)動(dòng)機(jī)殼體12或發(fā)動(dòng)機(jī)組、與發(fā)動(dòng) 機(jī)殼體12禪合的氣缸蓋14,W及經(jīng)設(shè)置W在由發(fā)動(dòng)機(jī)殼體12限定的氣缸15內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的 活塞18。進(jìn)氣通道70與氣缸15流體連通且配置成向氣缸15供給空氣，且排氣通道72也 與氣缸15流體連通并將燃燒產(chǎn)物傳送到氣缸15的外面。進(jìn)氣閥和排氣閥在圖1中均未示 出，但通常將W常規(guī)方式提供。排氣再循環(huán)回路74可W連接到通道70和72，且內(nèi)部設(shè)置有 排氣再循環(huán)控制閥76和排氣冷卻器78。從W下描述將進(jìn)一步顯而易見(jiàn)的是，活塞18可W 獨(dú)特地配置成使與活塞18相關(guān)聯(lián)的燃燒效率性質(zhì)與活塞18相關(guān)聯(lián)的排放性質(zhì)平衡。特別 地，活塞18可W包括多個(gè)尺寸、比例和形狀屬性，使得發(fā)動(dòng)機(jī)10在操作過(guò)程中產(chǎn)生相對(duì)較 低含量的氮氧化合物（NOx)和相對(duì)較低含量的顆粒物。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，內(nèi)燃 機(jī)，且尤其是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，在操作過(guò)程中可W產(chǎn)生各種類型的顆粒物。運(yùn)種顆粒物在本文中 通常稱作"煙霧"，但該術(shù)語(yǔ)在本文中并不W任何限制方式使用。本文中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)10和活塞 18的描述應(yīng)當(dāng)理解為通常適用于本文所涵蓋的所有發(fā)動(dòng)機(jī)和活塞，另有指示的除外。
[0031] 活塞18可W包括活塞體20,所述活塞體20包括外