限定對置活塞發動機內的燃燒室構造的活塞頂凹腔的制作方法
【專利說明】限定對置活塞發動機內的燃燒室構造的活塞頂凹腔
[0001]優先權
[0002]本申請是2011年4月18日提交的美國專利申請13/066,589的部分繼續申請，該申請要求:2010年4月27日提交的美國臨時申請61/343，308 ;2010年5月18日提交的美國臨時申請61/395，845 ;和2010年8月16日提交的美國臨時申請61/401，598的優先權。
[0003]本申請是2012年5月16日提交的PCT申請US2012/038061的部分繼續申請，該申請要求2011年5月18日提交的美國臨時申請61/519，194的優先權。
[0004]相關申請
[0005]本申請包含涉及2011年8月15日提交且在2012年3月29日公開為US2012/0073541的美國專利申請13/136，954，以及2011年8月15日提交且在2012年3月29日公開為US 2012/0073526的美國專利申請13/136,955的材料。
【背景技術】
[0006]本領域是用于內燃發動機的燃燒室。特別地，本領域包括對置活塞發動機的構造，在對置活塞發動機內，燃燒室被限定在相對設置在氣道式汽缸(ported cylinder)的孔內的活塞的頂凹腔之間。
[0007]根據圖1，現有技術的對置活塞發動機包括至少一個汽缸10，該汽缸具有在其中機械加工或成形的孔12以及縱向間隔的進氣端口 14和排氣端口 16。在一些方面，汽缸10的構造包括限定孔的汽缸襯套(或套筒)。燃料噴射器17固定在噴射器端口內(放置噴射器的端口)，其通向汽缸的側表面。具有封閉端區域(“頂”)20c、22c的兩個活塞20、22被設置在孔內，其中頂的端面20e、22e彼此面對。為了方便起見，活塞20被稱為“進氣”活塞，因為其靠近進氣端口 14。類似地，活塞22被稱為“排氣”活塞，因為其靠近排氣端口 16。
[0008]具有一個或多個氣道式汽缸(其中成形有一個或多個進氣端口和排氣端口的汽缸)諸如汽缸10的對置活塞發動機的操作被很好地理解。就此而言，響應于燃燒，對置活塞移動遠離各自的上止點(TDC)位置，其中上止點位置是活塞在汽缸10內最里面的位置。當從TDC移動時，活塞保持其相關聯的端口關閉，直到活塞到達各自的下止點(BDC)位置，其中下止點位置是活塞在汽缸內最外面的位置。活塞可以同相地移動，以便進氣端口 14和排氣端口 16—致地打開和關閉。可替換地，一個活塞可以同相地領先另一個活塞，在這種情況下，進氣端口和排氣端口具有不同的打開和關閉時間。在其他配置中，正時偏差可以通過在距離汽缸的縱向中心不同的距離處設置進氣端口和排氣端口而實施。
[0009]在許多對置活塞構造中，相位偏差被引進到活塞運動中。如圖1中所示，例如，排氣活塞領先進氣活塞，并且相位偏差導致活塞依次移動到它們的BDC位置，其中當排氣活塞22移動通過BDC時，排氣端口 16打開，同時進氣端口 14仍關閉，使得燃燒氣體開始流出排氣端口 16。隨著活塞繼續移動彼此遠離，進氣活塞20移動通過BDC，導致進氣端口 14打開，同時排氣端口 16仍然打開。增壓空氣的充氣通過打開的進氣端口 14被迫進入汽缸10中，驅動排氣通過排氣端口 16離開汽缸。如圖1中所示，在進一步移動活塞之后，排氣端口16在進氣端口 14之前關閉，同時進氣活塞20繼續移動遠離BDC。通常，當新鮮空氣的充氣穿過進氣端口 14的傾斜開口時被打旋。參考圖1，打旋運動(或簡稱“打旋”)30是充氣空氣大致螺旋的運動，其圍繞汽缸的縱軸循環，并且縱向移動通過汽缸10的孔。根據圖2，當活塞20、22繼續向著TDC移動時，進氣端口 14被關閉，并且保留在汽缸內的打旋的充氣空氣在頂20c和22c的端面20e、22e之間被壓縮。當活塞靠近它們在汽缸孔內的各自的TDC位置時，燃料40在活塞的端面20e、22e之間被噴射到壓縮的充氣空氣內。在一些方面，經由噴射器17，燃料被直接噴射通過汽缸的側面，進入到孔內(“直接側噴射”)。隨著噴射繼續，空氣和燃料的打旋的混合物在活塞20和22移動通過它們各自的TDC位置時，在由端面20e和22e之間限定的燃燒室32內被遞增地壓縮。當混合物到達著火點溫度時，燃料在燃燒室內點燃，驅動活塞向著它們各自的BDC位置分開。
[0010]當燃料噴射開始時，湍流是期望的充氣空氣運動的特征。湍流促使充氣空氣與燃料的混合，以便更完全的燃燒。進氣端口開口和對置活塞發動機的汽缸的幾何結構為促進排氣的移除(清除)和充氣空氣湍流的充氣空氣的適當地打旋運動的產生提供了非常高效的平臺。然而，由打旋主導的充氣空氣的運動在燃燒期間會產生不期望的效果。例如，在平坦活塞端面之間限定的圓柱形燃燒室內的燃燒期間，漩渦朝著汽缸孔推動火焰，使得熱量損失到(相對)較冷的汽缸壁。漩渦的較高的速度矢量發生在汽缸壁附近，這為熱量損失提供了最壞的情景:具有高速度的高溫氣體傳遞熱量到汽缸壁，并且降低發動機的熱效率。因此，在這種對置活塞發動機中，當噴射開始時期望保持充氣空氣湍流，同時緩解由打旋產生的不良影響。
[0011 ] 在某些對置活塞燃燒室構造中，湍流由在汽缸向著汽缸軸線的徑向方向上的來自燃燒室的周邊的擠流產生。擠流由壓縮的空氣從活塞端面的周邊處的相對高壓區域到在至少一個活塞端面中形成的凹腔中的較低壓力區域運動而生成。擠流促進燃燒室中的充氣空氣湍流。例如，美國專利6，170，443公開了具有一對相對的活塞的汽缸，該活塞具有互補的端面構造。在一個端面內形成的圓形凹陷相對于其活塞的軸對稱，并且在其中心上升到一定高度。對置的端面的周邊具有凸形形狀，在其中心形成半環形(一半環形)凹槽。當活塞接近TDC時，活塞限定以汽缸的縱軸為中心的大致環形燃燒室。燃燒室被限定在凹形表面形狀和凸形表面形狀之間的圓周擠壓帶圍繞。當活塞接近TDC時，擠壓帶生成向內引導的并進入環形凹槽的擠流，并且產生“上止點附近的高密度漩渦”。參見專利6，170，443的第19欄第25-27行。燃料在孔的徑向方向上被噴射到環形燃燒室內。
[0012]在燃燒室內增加的充氣空氣的湍流增加了空氣/燃料混合的效率。僅由打旋或擠流主導的充氣空氣運動可以實現某一水平的湍流。然而，當噴射開始時需要創建充氣空氣運動的額外的元素，以便產生更多的充氣空氣的湍流，其促進了比使用打旋和/或擠壓可以獲得的混合更均勻的混合，并且緩解了打旋的影響，由此減少了燃燒對汽缸壁的熱量的傳輸；一個這種額外的成分是翻滾。就此而言，翻滾是充氣空氣的旋轉運動，其在橫跨汽缸的縱軸的方向上循環。優選地，翻滾運動是充氣空氣的循環，其圍繞汽缸孔的直徑循環。
[0013]在專利US 2011/0271932中描述以及圖示說明了生成充氣空氣運動的翻滾成分的對置活塞發動機的示例性的燃燒室構造。該發動機包括具有縱向上分開的排氣端口和進氣端口的至少一個汽缸，和相對放置以便在汽缸的孔內往復運動的一對活塞。當活塞向著TDC運動時，具有細長的橢圓形形狀的燃燒室在孔內的活塞的端面之間形成。端面的形狀生成具有相對于燃燒室的主軸傾斜的互補方向的充氣空氣的擠流。端面形狀與充氣空氣運動的擠流和打旋成分的相互作用導致燃燒室內一個或多個翻滾運動的產生。
[0014]優選地，對置活塞的端面結構的形狀是相同的，使得每個端面具有以活塞的縱軸為中心的環形區域，和環形區域內的凹腔，所述凹腔以第一部分和第二部分限定凹形表面，第一部分從包含環形接觸區域的平面向活塞的內部向內彎曲，第二部分從活塞的內部向包含環形接觸區域的平面向外彎曲。活塞被旋轉地取向以相對地放置凹腔的互補的彎曲表面，以便最大化擠壓區的擠壓表面積。這些特征導致具有大致細長的橢圓形狀的燃燒室。
[0015]顯然，用于被指定為僅具有大致細長的橢圓形狀的對置活塞發動機的燃燒室構造未考慮可以單獨或共同地改變以便增加發動機設計的靈活性和能夠實現針對對置活塞發動機性能的特定目標和要求的“大致形狀”的特征和尺寸。因此，在對置活塞發動機配置的領域需要系統的容積模型，使用該模型來通過燃燒室元件的特征和尺寸關系的描述來限定燃燒室構造。

【發明內容】

[0016]在兩個相對的端面包括凹腔的活塞的頂之間形成的燃燒室的三維形狀在之前已經被描述為橢圓形或足球形。在本說明書中，三維燃燒室的形