具有燃烧碗的活塞及使用该活塞的发动机

摘要

一种活塞，其用于平衡燃烧效率和由于氮氧化物产生所致的起烟，包括形成燃烧碗的燃烧面，燃烧碗具有在径向向外方向上锐度增加的复合曲率。外碗表面限定邻近内碗表面的大曲率半径，以及邻近圆柱形壁表面的中等曲率半径。内碗表面、外碗表面和壁表面共同形成燃烧碗的轮廓，使得燃烧碗的直径为约124mm，以便在具有约15∶1至17∶1的压缩比的直接喷射压燃式内燃发动机中构建约0.71的碗孔比。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于压燃式内燃机的活塞，更具体地涉及一种活塞 燃烧面，其具有燃烧碗，所述燃烧碗成型为在该内燃机中构建预定的燃烧 碗与气缸孔比例，以平衡燃烧效率和由于氮氧化物产生所致的起烟。

背景技术

在内燃机领域已知有很多种操作策略及部件几何形状。几十年来，工 程师们已尝试了各种不同方法来运行燃料、排气、进气以及其它发动机系 统，以及用各种不同方法来设计发动机部件的形状和比例。这些尝试背后 的一个动机在于：平衡关于减少内燃机排气中特定排放物和优化效率的通 常争论的关注内容。内燃机通常燃烧空气和烃燃料。燃料和空气的燃烧产 生来自内燃机的废气，该废气可能含有各种化合物及物质，例如烟灰、粉 尘、未燃烧的烃类、水、二氧化碳、一氧化碳和各种其它有机和无机物。

近年来，在内燃机的研究中特别关注的是减少氮的氧化物(统称为“氮 氧化物(NOx)”)的排放，以及减少颗粒物质的排放，所述颗粒物质通常 包括烟灰和粉尘。令人遗憾的是，减少这些不期望的废气成分往往以效率 特性为代价，如燃料效率和/或可达到的内燃机速度或功率。如上所述，多 年来，发动机的部件形状和运行参数的变化几乎层出不穷。特别关注的一 个领域是尝试将活塞燃烧面成形为在不牺牲效率的同时减少某些废气排 放。

旨在在不过度牺牲效率的前提下减少排放物的一种常见的活塞设计 包括由活塞的燃烧面限定的燃烧碗，该活塞被暴露于内燃机燃烧室并限定 后者的一部分。据信，可出于不同目的改变燃烧产物的组成，通过这样的 方式，燃烧碗可影响燃烧期间气体和雾化液体燃料的流动和燃烧特性。如 上所述，减少氮氧化物以及颗粒物质而没有过度影响燃烧效率通常是可取 的。

目前，尽管对于活塞燃烧碗的许多研究和商业设计在不断地发展，在 燃烧过程中涉及碗形或形状组合的燃烧学仍未彻底了解。众所周知的是， 即使是对于燃烧碗几何形状的相对较小的改动也可能对燃烧产物的种类 和相对比例产生显著的影响。由于缺少充分的理解，对于如何实现任何这 些特定的目标，本领域提供的指导相对较少。工程师们发现，他们所知的 很多不同的变量将会影响排放物和/或效率，但是这些变量及其它因素的分 组往往不尽如人意，且结果不在预料之中。一种适当的设计的研发通常需 要数年的研究和发展，包括充分的应用、测试和现场分析。根据授予 Mahakul等人的第7,025,031号美国专利，已知一种专用的活塞设计。

发明内容

一方面，本发明提供一种活塞，其用于在直接喷射压燃式内燃发动机 中平衡燃烧效率和由于氮氧化物产生所致的起烟，该发动机具有约175mm 的气缸孔。该活塞包括：活塞主体，其限定了纵轴线，并包括外主体表面 和燃烧面，所述纵轴线在第一轴向主体端和第二轴向主体端之间延伸，外 主体表面在第一轴向主体端和第二轴向主体端之间延伸，燃烧面在第一轴 向主体端之上。该燃烧面形成燃烧碗，并包括锥形内碗表面和凹形外碗表 面，该外碗表面从内碗表面延伸至圆柱形壁表面，并具有在轴向向外方向 上锐度增加的复合曲率。该燃烧面进一步形成环形活塞边缘，该环形活塞 边缘围绕燃烧碗圆周延伸，并包括平坦边缘表面和凸起唇缘表面，该凸起 唇缘表面在边缘表面和壁表面之间过渡，并与限定燃烧碗边界的壁表面具 有相交部。外碗表面限定邻近内碗表面的大曲率半径，以及邻近壁表面的 中等曲率半径，且凸起唇缘表面限定小曲率半径，每一者都位于纵向剖面 中。内碗表面、外碗表面和壁表面共同形成燃烧碗的轮廓，使得该燃烧碗 的直径为约124mm，且燃烧碗的容积为约190cm³，以使当该活塞安装于 该发动机中用于服务时，构建约0.71的碗孔比和约15∶1至17∶1的压缩 比。

另一方面，一种直接喷射压燃式内燃发动机包括发动机壳体，发动机 壳体限定气缸孔，并包括进气通道和排气通道，所述气缸孔具有约175mm 的直径，所述进气通道和排气通道分别与气缸孔流体连通。气缸盖与发动 机壳体相联接，并且燃料喷射器安装在气缸盖中，并配置成直接将燃料喷 射到气缸中。活塞放置在气缸孔内并包括活塞主体，该活塞主体限定纵轴 线，并包括外主体表面和燃烧面，所述纵轴线在第一轴向主体端和第二轴 向主体端之间延伸，所述外主体表面在第一轴向主体端和第二轴向主体端 之间延伸，所述燃烧面在第一轴向主体端之上。燃烧面形成燃烧碗，并包 括锥形内碗表面和凹形外碗表面，外碗表面从内碗表面延伸至圆柱形壁表 面，并具有在径向向外方向上锐度增加的复合曲率。燃烧面进一步形成环 形活塞边缘，该环形活塞边缘围绕燃烧碗圆周延伸，并包括平坦边缘表面 和凸起唇缘表面，凸起唇缘表面在边缘表面和壁表面之间过渡，并与限定 燃烧碗边界的壁表面具有相交部。外碗表面限定邻近内碗表面的大曲率半 径、以及邻近壁表面的中等曲率半径，且凸起唇缘表面限定小曲率半径， 每一者均位于纵向剖面中。内碗表面、外碗表面和壁表面共同形成了燃烧 碗的轮廓，使得燃烧碗的直径与气缸孔的直径之比为大约0.71，并且燃烧 碗的容积为大约190cm³，以在发动机中产生15∶1至17∶1的压缩比。

附图说明

图1是根据一个实施例的发动机的局部剖面示意图；

图2是图1发动机中的活塞的轮廓示意图；

图3是对单缸测试发动机中两种不同的活塞进行对比的BSFC和 BSNOx的对比图；以及

图4是测试发动机中两种活塞的AVL烟和BSNOx的对比图。

具体实施方式

参考图1，示出了根据一个实施例的发动机8。发动机8包括发动机 壳体10、联接到发动机壳体10的气缸盖12、以及分别以大体上常规的方 式形成于气缸盖12内的进气通道14和排气通道16。发动机8包括直接喷 射压燃式内燃机，其具有至少部分地位于发动机气缸54内的燃料喷射器 18。气缸54由发动机壳体10限定，并与进气通道14和排气通道16流体 连通，虽然发动机阀(未示出)将被用于进行此种可控制的流体连通。在 实际实施策略中，气缸54将由位于发动机壳体10内的气缸套(未示出) 限定。气缸54可以具有大约175毫米(mm)的气缸孔直径。活塞20位 于气缸54内，并配置成用于使发动机8中燃烧效率和由于氮氧化物产生 所致的起烟的平衡。通过以下描述将进一步显而易见的是，活塞20的各 种特征专门配置成用于与大约175mm的气缸孔直径和发动机8中15∶1 至17∶1的压缩比相结合，获得发动机8中预想的燃烧效率、起烟和氮氧 化物产生。

同样参考图2，示出了活塞20的轮廓，并包括附图标记，以识别以其 它方式在图1中难以示出的活塞20的各种特征。关于活塞20，图1可以 被理解为主要包括指出了尺寸、角度和比例属性的附图标记，而图2包括 主要识别物理特征的附图标记。活塞20可以包括活塞主体22，该活塞主 体22限定了纵轴线100，所述纵轴线100在第一轴向主体端24和第二轴 向主体端26之间延伸。活塞主体22包括外主体表面28以及在第一轴向 主体端24之上的燃烧面30，外主体表面28基本上为圆柱形，但可以具有 较小椭圆度，在第一轴向主体端24和第二轴向主体端26之间延伸。活塞 20还可以在第二轴向主体端26处包括活塞边缘以及典型的肘销硬件，两 者均未在图1中进行特别示出，在气缸孔54内用作引导，并以常规方式 与活塞杆接合。活塞20可以是整体式活塞，但可以由独立的顶部和边缘 部件令人信服地构造而成。孔52可以设置成容纳螺纹提升部件，与孔52 相对的凸块56为结构完整性提供额外材料。

燃烧面30形成燃烧碗32，并包括锥形内碗表面34，以及从内碗表面 34延伸到圆柱形壁表面38的凹形外碗表面36。图1和图2的纵向剖面中 所示的燃烧面30的轮廓为旋转轮廓，且因此将被同样理解为经过围绕轴 线100旋转360°。在纵向剖面内，轮廓围绕轴线100而对称。外碗表面36 具有在径向向外方向上锐度增加的复合曲率。燃烧面30进一步形成环形 活塞边缘40，其围绕燃烧碗32而周向延伸，并包括平坦边缘表面42。边 缘40的凸起唇缘表面44在边缘表面42和壁表面38之间过渡，并与限定 燃烧碗32边界的壁表面38具有相交部46。理解该特征的另一种方式是， 在圆柱形壁表面38过渡到并融合到唇缘表面44处时，该相交点可以被理 解为燃烧碗32的边界。在图1和图2所示中，对于燃烧面30而言，相交 部46竖直下方的所有内容是燃烧碗32的一部分，相交部46竖直上方的 所有内容是边缘40的一部分。

外碗表面36进一步限定了与内碗表面34相邻的大曲率半径130，以 及与壁表面38相邻的中等曲率半径120。唇缘表面44限定了小曲率半径 110，大曲率半径、中等曲率半径和小曲率半径的每一个都位于包括纵轴线 100的纵向剖面上。前述外碗表面36具有在其径向向外方向上锐度增加的 复合曲率。这可被理解为意味着外碗表面36并不以连续的曲率弯曲，而 是具有变化的曲率，并且在表面36接近壁表面38时开始更急剧地弯曲。 内碗表面34、外碗表面36和壁表面38共同勾勒出燃烧碗32，使得燃烧 碗32的直径为大约124cm并且燃烧碗的容积约为190cm³，以确立在活塞 20安装以在发动机8中工作时碗孔比为大约0.71以及压缩比为15∶1至 17∶1。勾勒燃烧碗32的重要性，特别是燃烧面30各个表面的相对大小 和成形如何获得预定的碗孔比和碗容积、以及压缩比，从以下描述中将更 为明显。

在一个切实可行的实施策略中，外碗表面36具有底部区段48，该底 部区段48与内碗表面34相邻，并限定大曲率半径130。外碗表面36还具 有过渡区段50，该过渡区段50从底部区段48延伸到壁表面38，并且限 定中等曲率半径120。大曲率半径130为中等曲率半径120的大约两倍， 并且中等曲率半径120为小曲率半径110的大约五倍。如上所述，边缘40 可包括平坦边缘表面42。表面42可限定平面，并且燃烧碗32的底部区段 48可在距平面的深度195处。深度195可以大于中等曲率半径120并且小 于大曲率半径130。在又一切实可行的实施策略中，大曲率半径130可为 大约24mm。中等曲率半径110可为大约12mm，并且深度195可以为大 约20mm。结合内碗表面34的形状，半径120和130以及深度195为主要 影响燃烧碗容积和半径的几何属性，从而影响碗直径与气缸孔直径之比和 发动机8的压缩比。内碗表面34也可以限定出在纵向剖面上大约137°的 锥角200，并且碗容积可为大约194cm³。尤为更特别的是，深度195可为 大约19.6mm,并且碗容积可以为大约193.5cm³。碗直径可为大约 124.25mm，从而碗直径145与气缸孔直径105的比值为0.71。

活塞20的其它特征涉及壁表面38的高度115，以及与唇缘表面44相 关的定位和半径。在一个切实可行的实施策略中，高度115可以是大约2mm 到大约3mm，并且唇缘表面44可从平坦边缘表面42下降大约3毫米或更 小的轴向距离或边缘深度125。由唇缘表面44限定的小曲率半径110可为 大约3毫米或更小。与不均匀且变化的外碗表面36曲率相反，唇缘表面 44的曲率可以是均匀的。外主体表面28和唇缘表面44之间的边缘42的 直径165可以为大约25mm。仍如上文所述，内碗表面34限定了锥角200。 燃料喷射器18可以包括在其中形成的喷射器喷孔，编号为7，其限定了喷 射器喷射角300。喷射器喷射角300大于锥角200，并且喷射器喷射角300 和锥角200通常相差大约10°或更大。在一个切实可行的实施策略中，锥 角200为大约137°，并且喷射器喷射角300为大约150°。在与发动机8运 行相关的另一个方面，燃料喷射定时可以是燃油喷雾开始于上止点位置前 20°到30°并且到上止点之后继续20°到30°；并且，在一个实际实施方式中 开始于上止点位置前15°，并且终止于上死点之后20°或更小。

发动机8也在图1中示出，其具有配置成以常规方式将来自从排气通 道16的废气返回至进气通道14的废气再循环回路6。在其它实施例中， 不再使用废气再循环。发动机8还可以具有低涡流比，使得进入气体通常 以绕活塞20的纵轴线100的圆周的转动方向绕汽缸54打旋。涡流比可能 显著低于某些其它已知的发动机系统设计，并且在一个实际实施方式中， 涡流比定义为进气的涡流速率与发动机的每分钟转数的比率，其可小于1， 并通常小于0.5。发动机8还可装备有共轨燃料系统，用来给燃料喷射器 18提供加压的液体燃料，并且也可结合发动机8的附加气缸和活塞使用其 它喷射器。

根据前述描述，可以理解的是，活塞20的多个不同的维度属性、几 何属性和比例属性，连同该发动机8的其它特征，提供了所需的燃烧碗直 径和气缸孔直径的比(或者“碗孔比(bowltoboreratio)”)、所需的碗容 积以及所需的压缩比。还可以实现至少在特定运行条件和发动机设计方案 的条件下有助于减少排放物的整体燃烧碗形状。下面表1列出了与三种已 知发动机系统相比的各种这些维度属性、比例属性和几何属性的示例值。 本发明的发动机8和活塞20在标题为“发动机8”的列中表示。发动机I、 发动机II和发动机III在表1的另外的列中表示，如上所示，这些发动机 都为已知活塞和发动机的组合。可注意的是，发动机I、发动机II和发动 机III都为175mm气缸孔的发动机。发动机I、发动机II和发动机III的碗 孔比为0.691到0.714。并且，从表1中可见，这里所讨论的与发动机8和 活塞20相关的多个参数的值、大小或度与发动机I、发动机II和发动机III 的那些参数相当接近。但是，这些区别是有意义的，尤其是考虑到，需要 研究和开发测试数据以提供与活塞20和发动机8相关的某些初始目标规 格，以及随后需要将活塞的各种特征另外进行概念的和实用的整合和修 改，以研发本发明。

另一种了解实现活塞20和发动机8的活塞设计方面的方式如下：可 通过测试和/或观察新的和已知的设计，研发被认为可能实现所需排放目标 的发动机和活塞的参数，而实现研发可能很容易也可能非常困难。然而， 实际实施可能使其更为困难，关于哪些部件适合安装在哪里，哪些特征适 合结合，哪些不适合，通常并不直观，且通常只有通过工程设计调整才能 成功实现，以实现可行的设计而不需要重新设计整个发动机。除以上特别 说明的特征外，表1中还列出了其它特征，诸如从边缘平面到竖直壁顶部 的距离175；从边缘平面到由半径120、130限定的圆的中心点的距离185、 187；以及分别由半径120、130限定的圆的中心点之间的距离155、157。 表1中给出了这些不同属性的值。可以预料，与发动机8和活塞20的特 定值的些许偏差是可以接受的。然而，在多数情况下，根据本发明的活塞 和发动机可具有在表1中列出的在相对适度的误差范围内的特征。

为实现此目的，如本发明所使用的，术语“大约”在上下文中可理解 为四舍五入至有效位的一致性数字。相应地，“大约0.71”应当理解为意 指从0.705到0.714。“大约137°”意指从136.5°到137.4°。“大约124mm” 意指从123.5mm到124.4mm，“大约124.25mm”意指从124.245mm到 124.254mm，等等。在末尾为零的情况下，例如190cm³中的零，术语“大 约”应理解为意指相关的值可以是从185cm³到194cm³。当未使用术语“大 约”时，更小程度的上舍入或下舍入是合适的。

表1

工业实用性

现参照图3，该图示出了针对使用在曲线420中提供71％或0.71碗孔 比的活塞以及在曲线410中提供73％或0.73碗孔比的活塞的单缸测试发动 机的y轴上制动比燃料消耗(BSFC)与x轴上的制动比氮氧化物(BSNOx) 产量相比较的图。需要指出的是，用曲线420表示的71％碗孔比的活塞， 在某些方面，要优于用曲线410表示的活塞，并提供比尺寸设计为获得73％ 碗孔比的活塞更优的燃料或燃烧效率与氮氧化物产生的折衷。同样参照图 4，该图示出了同样针对配置成在曲线510中提供73％或0.73碗孔比的活 塞相对于配置成在曲线520中提供71％或0.71碗孔比的活塞的AVL烟与 BSNOx的对比图。除了其它方面，71％活塞的数据表明烟气和氮氧化物减 少的程度均更大。

如上所述，可开发用于活塞和/或发动机的一般目标规格，然后可开始 将部件和/或特征装配在一起、并基于现有活塞和发动机进行修改或构建的 工作，以实现那些目标规格。这就是开发活塞20的一般的方式，并且首 先考虑在测量误差内实现所需的大约0.71(或甚至更好地精确为0.71)的 碗孔比。15∶1至17∶1的压缩比，且潜在地更精确地为16.5∶1，也是重 要因素。然后探讨开始于有利于大约0.71的碗孔比的试验数据、用于获得 该碗孔比的选项、以及被认为有利于降低氮氧化物和/或减少烟而不需牺牲 效率或要求发动机重新设计的特性。这些其它特性包括，比如，碗为非凹 入的，喷射角大于锥角，碗与活塞边缘之间的唇缘相对尖锐，且碗从其底 部向上转换到活塞边缘尽可能平滑。相对于其它方面，改进发动机硬件的 某些方面可能更具有挑战性。孔尺寸是一个实例。显然，改变发动机的孔 尺寸以获得0.71的碗孔比不太可能被认为是实用的解决方案。改变发动机 的压缩比，无论是有意或是改变其它特征的结果，也通常是不期望的，并 甚至可能直接影响点火性能和/或自身排放。因此，特定的发动机平台可为 活塞设计过程提供固定的或基本固定的外部限制。因此，本领域的技术人 员应当理解，本发明提供一种活塞和发动机策略，其导致更多不同的设计 考虑，潜在的交叉联接和非线性关系，并实现目标碗孔比，同时使某些整 体发动机平台特征如压缩比保持不变。

本说明书仅用于示例性目的，而不应当解释为以任何方式来缩小本发 明的宽度。因此，本领域技术人员应当理解，在不背离本发明的全部和合 理的范围以及精神的情况下，可对所公开的实施例进行各种变型。审阅附 图和所附权利要求书后，其它方面、特征和优点将显而易见。