具有燃燒碗形狀以平衡燃燒效率和排放性質的活塞的制作方法
【專利說明】具有燃燒碗形狀從平衡燃燒效率和排放性質的活塞
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請案是2011年4月18日提交的美國專利申請案第13088659號的繼續部分， 其請求于2010年4月20日提交的美國臨時專利申請案第61/326, 161號的申請日的權益。
技術領域
[0003] 本發明總體設及用于壓燃式內燃機中的類型的活塞，并且更具體地設及一種具有 弧形內邊緣表面和在弧形內邊緣表面與燃燒碗之間的突然過渡的活塞燃燒面。
【背景技術】
[0004] 多種操作策略和組件幾何結構在內燃機領域是已知的。工程師用了數十年試驗不 同的方法來操作燃料加注、排氣、進氣和其他發動機系統，W及不同的方法來設置發動機組 件的形狀和比例。運種試驗背后的一個動機已平衡了減少發動機排氣口某些排放的通常的 競爭顧慮，W及優化效率。內燃機通常燃燒空氣和碳氨化合物燃料。燃料和空氣的燃燒產 生來自內燃機的排氣，其可包括各種化合物和物質，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和無機物質。 陽0化]近年來，減少氮氧化物（統稱為"NOx")的排放和減少一般包括煙灰和粉塵的顆粒 物已經成為了內燃機研究的特別關注點。遺憾的是，減少運些不需要的排氣成分通常會W 降低效率性質（例如燃料效率和/或可達到的發動機速度或功率）為代價。如上所述，發 動機的組件形狀和操作參數運些年來W幾乎無數的方式變化。特別關注的一個領域設及嘗 試將活塞燃燒面的成型為使得某種排氣排放減少，而不會降低效率。
[0006] 一種設及減少排放而不會過分犧牲效率的常見活塞設計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動機燃燒室的一部分。據信，在燃燒過程中，燃燒 碗可能影響氣體和霧化液體燃料的流動和燃燒性質，使得燃燒產物的組成可針對不同目的 進行調整。如上所述，通常期望的是，減少NOx和顆粒物，而不過分影響燃燒效率。
[0007] 目前，盡管針對活塞燃燒碗進行了大量研究和商業設計，但是在燃燒過程中設及 碗形狀或形狀組合的燃燒學還未被充分了解。眾所周知的是，即使對于燃燒碗幾何結構做 出的相對小的修改可對燃燒產物的類型和相對比例產生顯著影響。由于缺少足夠了解，本 領域對于如何實現任何特定目標集合提供相對較少指導。工程師已經發現很多不同變量， 其知道運些變量將對排放和/或效率產生一些影響，但是運些變量W及其他因素的分組卻 通常不會產生令人滿意且可預測的結果。開發一種合適的設計通常需要數年的研究和開 發，包括充分應用、測試和領域分析。

【發明內容】

[0008] 在一個方面，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 射壓燃式內燃機中平衡燃燒效率與NOx產生和煙霧產生，其中所述發動機具有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合邊緣。復合燃燒碗包括位于圓錐形突出部上 的凸狀內碗表面和凹狀外碗表面，且所述復合邊緣包括鄰接外圓柱形表面的平坦外邊緣表 面和鄰接復合燃燒碗的凸狀內邊緣表面。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，且凸狀內碗表面與凹狀外碗表面連續過渡。凸狀內邊緣表 面與凹狀外碗表面在復合燃燒碗的邊緣處突然過渡，且凸狀內邊緣表面限定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，使得當活塞處于 發動機中的上止點中屯、位置時，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合邊緣限定。
[0009] 在另一個方面，提供一種活塞，其用于在直接噴射壓燃式內燃機中平衡燃燒效率 與NOx產生和煙霧產生。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，其包括限定復合燃燒碗的燃燒面；W及復合邊緣，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。復合燃燒碗包括凸狀內碗表面，其位于圓錐形突出部上并 限定錐角，W及凹狀外碗表面，其從內碗表面徑向向外延伸并限定第一曲率半徑。復合邊緣 包括平坦外邊緣表面，其鄰接外圓柱形表面，W及凸狀內邊緣表面，其鄰接復合燃燒碗并限 定第二曲率半徑。凸狀內碗表面與凹狀外碗表面連續過渡，且凸狀內邊緣表面與凹狀外碗 表面在復合燃燒碗的邊緣處突然過渡。復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] 在另一個方面，直接噴射壓燃式內燃機包括發動機殼體，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氣通道和排氣通道，W及與 發動機殼體禪合的氣缸蓋。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噴射孔。發動機還包括活塞，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產生和煙霧產生。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，及軸向活塞端，其包括限定復合燃燒碗的燃燒面，且 其中燃燒碗的直徑與氣缸孔的直徑的比為0. 68至0. 74。活塞進一步包括在燃燒碗內的圓 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合邊緣。燃燒碗包括 位于圓錐形突出部上的凸狀內碗表面和凹狀外碗表面，且復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狀內邊緣表面。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 凸狀內碗表面與凹狀外碗表面連續過渡。凸狀內邊緣表面與凹狀外碗表面在燃燒碗的邊緣 處突然過渡，且凸狀內邊緣表面限定40mm至70mm的第二曲率半徑，使得當活塞處于上止點 中屯、位置處時，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合 邊緣限定。
【附圖說明】
[0011] 圖1是根據一個實施例的具有活塞的壓燃式內燃機的側剖視示意圖；
[0012] 圖2是由圖1的活塞的外表面限定的輪廓的側面示意圖；
[0013] 圖3是圖2所示的輪廓的一部分的詳細示意圖；
[0014] 圖4是示出了根據本發明的壓燃式內燃機的某些幾何參數的圖表；
[0015] 圖5a是圖示了對于斜面邊緣活塞和弧形邊緣活塞的NOx與AVL煙霧的權衡的曲 線圖；
[0016] 圖化是圖示了對于斜面邊緣活塞和弧形邊緣活塞的NOx與BSFC的權衡的曲線 圖； 陽017] 圖6a是圖示了對于豎直碗狀活塞和凹角碗狀活塞的NOx與A化煙的權衡的曲線 圖；
[0018] 圖化是圖示了對于豎直碗狀活塞和凹角碗狀活塞的NOx與BSFC的權衡的曲線 圖；
[0019] 圖7a是根據一個實施例的活塞的一部分的側剖視不意圖；
[0020] 圖化是類似于圖7a的側剖視示意圖，其指示額外幾何屬性且包括詳細放大部 分；
[0021] 圖8是根據一個實施例的活塞的一部分的側剖視示意圖，且包括詳細放大部分；
[0022] 圖9是根據一個實施例的活塞的一部分的側剖視示意圖，且包括詳細放大部分；
[0023] 圖10是根據一個實施例的活塞的一部分的側剖視示意圖，且包括詳細放大部分；
[0024] 圖11是根據一個實施例的活塞的一部分的側剖視示意圖，且包括詳細放大部分； [00巧]圖12是根據一個實施例的活塞的一部分的側剖視示意圖，且包括詳細放大部分； [00%] 圖13是根據一個實施例的活塞的一部分的側剖視示意圖，且包括詳細放大部分；
[0027] 圖14是根據一個實施例的活塞的一部分的側剖視示意圖，且包括詳細放大部分；
[0028] 圖15是根據一個實施例的活塞的一部分的側剖視示意圖，且包括詳細放大部分； 及
[0029] 圖16是根據一個實施例的具有活塞的壓燃式內燃機的側剖示意視圖。
【具體實施方式】
[0030] 參考圖1，示出了根據一個實施例的發動機10。發動機10可W包括直接噴射壓燃 式內燃機，例如柴油發動機。發動機10可W進一步包括發動機殼體12或發動機組、與發動 機殼體12禪合的氣缸蓋14,W及經設置W在由發動機殼體12限定的氣缸15內往復運動的 活塞18。進氣通道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物傳送到氣缸15的外面。進氣閥和排氣閥在圖1中均未示 出，但通常將W常規方式提供。排氣再循環回路74可W連接到通道70和72，且內部設置有 排氣再循環控制閥76和排氣冷卻器78。從W下描述將進一步顯而易見的是，活塞18可W 獨特地配置成使與活塞18相關聯的燃燒效率性質與活塞18相關聯的排放性質平衡。特別 地，活塞18可W包括多個尺寸、比例和形狀屬性，使得發動機10在操作過程中產生相對較 低含量的氮氧化合物（NOx)和相對較低含量的顆粒物。本領域的技術人員將認識到，內燃 機，且尤其是柴油發動機，在操作過程中可W產生各種類型的顆粒物。運種顆粒物在本文中 通常稱作"煙霧"，但該術語在本文中并不W任何限制方式使用。本文中對發動機10和活塞 18的描述應當理解為通常適用于本文所涵蓋的所有發動機和活塞，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