CN102859166A - 具有成型用于平衡燃烧效率和排放性能的燃烧碗的活塞 - Google Patents

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Abstract

用于压缩点火内燃机(10)的活塞(18)包括限定燃烧碗(30)的燃烧面(28)的活塞体(20)，以及燃烧面(28)包括复合碗表面(32)和复合边缘面(38)。燃烧面(28)成型为，用于平衡活塞(18)的燃烧效率性能和活塞(18)的排放物性能，燃烧面包括旋转轮廓，该旋转轮廓限定被纵轴平分的凸出曲线段(110)和凸出曲线段(110)外侧的多个凹入曲线段(112)。旋转轮廓还包括限定与内边缘面(42)对应的多个凸出曲线段(116)的复合边缘轮廓。复合碗轮廓的凸出曲线段(110)限定较小的曲率半径，以及与内边缘面(42)对应的多个凸出曲线段(116)限定较大的曲率半径。燃烧面(28)包括从复合碗表面(32)到所述复合边缘面(38)的突兀过渡段(48)。

Description

具有成型用于平衡燃烧效率和排放性能的燃烧碗的活塞
技术领域
本发明主要涉及一种用于压缩点火内燃机中的活塞，更特别是涉及一种活塞燃烧面，其具有圆角的内边缘面和在圆角内边缘面与燃烧碗之间的突兀过渡段。
背景技术
在内燃机领域，已知运行方案和部件的几何形状形形色色、多种多样。过去的几十年内，工程师们已经试验了用于操作燃料、排气、吸入、和其它发动机系统的不同方式，以及用不同的方式设计发动机部件的形状和比例。这些实验的一个目地是为了平衡通常互相制约的方面，即减少发动机废气中一些排放物的含量和效率最优化。内燃机通常燃烧空气和碳氢燃料。燃烧燃料和空气所产生的从内燃机中排放出的废气可包括不同的化合物和物质，如煤烟、灰、未燃烧的碳氢化合物、水、二氧化碳、一氧化碳、和多种其它的有机和无机物。
近几年来，内燃机研究的热点一直集中在减少排放氮氧化物(以下统称“NOx”)的排放和减少通常包括煤烟和灰在内的颗粒物质的排放。差强人意的是，减少不期望的排放物成分常常也影响效率性能(例如燃料效率)和/或可达到的发动机速度或功率。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。在热点领域中，试图将活塞燃烧面成型为在不损害效率的同时减少废气排放物。
为了减少排放物而不过度损害效率，一种常见的活塞设计包括由活塞燃烧面限定的燃烧碗，所述活塞燃烧面是露出的且限定发动机燃烧室的一部分。确定的是，在燃烧过程中，燃烧碗可影响雾化液体燃料和气体的流动及燃烧性能，使燃烧产物的组成可满足不同的目地。如上所提及的，通常情况下都期望减少NOx和颗粒物质而不过度影响燃烧效率。
目前，尽管对于活塞燃烧碗不胜枚举的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，对燃烧碗几何形状微小的改变也可能对燃烧产物的种类和相对比例有显著的影响效果。由于缺乏充分的了解，对于如何实现具体目标，在本领域中几乎没有启示。工程师们发现许多不同的变量会对排放物和/或效率产生影响，但是这些变量和其它因素的组合常常不能产生满意的可预期的结果。满意的设计常常需要多年的研究和发展，包括深入应用，试验和现场分析。
发明内容
一方面，用于压缩点火内燃机的活塞包括具有限定纵向活塞轴的外圆柱面的活塞体。所述活塞体还包括第一轴向活塞端，和具有限定燃烧碗的燃烧面的第二轴向活塞端。燃烧面包括具有内碗面和外碗面的复合碗表面，及复合边缘面，所述复合边缘面具有与外圆柱面接合的外边缘面和与复合碗表面接合的内边缘面。燃烧面还包括具有围绕纵轴的旋转轮廓的横截面轮廓，所述旋转轮廓成型为，用于平衡活塞燃烧效率性能和活塞的产生NOx的性能及产生烟雾的性能。旋转轮廓包括复合碗轮廓，其限定与内碗面对应并被纵轴平分的凸出曲线段，还限定凸出曲线段外侧并与外碗面对应的多个凹入曲线段。凸出曲线段限定较小曲率半径，凹入曲线段分别限定中等曲率半径。旋转轮廓还包括复合边缘轮廓，其限定与外边缘面对应的多个线性曲线段，还限定与内边缘面对应并分别与线性曲线段之一接合的多个凸出曲线段。所述多个凸出曲线段分别限定较大的曲率半径。燃烧面还包括从内碗面到外碗面的第一连续过渡段，从内边缘面到外边缘面的第二连续过渡段，和从复合碗表面到复合边缘面的突兀过渡段。
另一方面，设有用于在压缩比为15∶1到17∶1的直接注射压缩点火内燃机中平衡燃烧效率和NOx的产生及烟雾的产生的活塞，其中发动机的涡流比等于或小于1，燃烧碗的直径与气缸孔的直径的比率在0.68到0.74之间，且其中燃料注射喷射角度大于由燃烧碗内的活塞的锥状突起所限定的锥角。活塞包括活塞体，所述活塞体具有限定纵向活塞轴的外圆柱面、包括限定复合燃烧碗的燃烧面的轴向活塞端和设置在轴向活塞端并从燃烧碗到外圆柱面径向向外延伸的复合边缘。复合燃烧碗包括设置在锥状突起上的凸出内碗面，和凹入外碗面，并且，复合边缘包括与外圆柱面接合的平坦外边缘面和与复合燃烧碗接合的凸出内边缘面。锥角等于约135°或更小，凹入外碗面限定在7mm到20mm之间的第一曲率半径，凸出内碗面连续地过渡到凹入外碗面。在复合燃烧碗的边缘，凸出内边缘面突兀地过渡到凹入外碗面，且凸出内边缘面限定在40mm到70mm之间的第二曲率半径，因此，碗边缘从由平坦外边缘面限定的平面轴向地凹入，从而，当活塞在发动机的上止点位置时，气体从细缝中挤出，所述细缝具有向外逐渐变窄的锥状，且部分由气缸头限定、部分由复合边缘限定。
再一方面，一种用于使压缩点火内燃机运行的方法包括，输送气体进入到发动机气缸内使气体围绕气缸涡旋，和向气缸内的上止点位置推送具有复合燃烧碗的活塞。燃烧碗直径与气缸直径的比率在0.68到0.74之间，燃烧碗包括连续地过渡到凹入外碗面的凸出内碗面，所述凹入外碗面限定在7mm到20mm之间的第一曲率半径。所述方法还包括，在推送步骤中，从部分由发动机的气缸头且部分由活塞复合边缘限定的细缝中挤出气体，所述复合边缘包括平坦外边缘面和限定在40mm到70mm之间的第二曲率半径的凸出内边缘面。所述方法还包括，输送挤出的气体经过在复合边缘和复合燃烧碗之间的突兀过渡段，和将燃料直接注射到气缸内使气体和燃料在其内自动点燃。
还有一方面，直接注射压缩点火内燃机包括限定气缸孔的发动机外壳和与发动机外壳连接的气缸头，所述发动机外壳包括分别与气缸孔流体连通的进气管道和排气管道。燃料注射器设置在气缸头内，并配置为，直接将燃料注射进气缸内，所述燃料注射器具有限定喷射角度的多个喷射口。发动机还包括活塞，所述活塞用于在气缸内燃烧燃料和空气时平衡燃烧效率与NOx的产生及烟雾的产生。活塞包括具有限定纵向活塞轴的外圆柱面的活塞体，及具有限定复合燃烧碗的燃烧面的轴向活塞端，其中，燃烧碗的直径与气缸孔的直径的比率在0.68到0.74之间。活塞还包括燃烧碗内的锥状突起，和在径向向外的方向上从燃烧碗到外圆柱面延伸的复合边缘。燃烧碗包括位于锥状突起上的凸出内碗面，以及凹入外碗面，复合边缘包括与外圆柱面接合的平坦外边缘面和与燃烧碗接合的凸出内边缘面。锥状突起限定锥角，其小于喷射角度且约为135°或更小，凹入外碗面限定7mm到20mm之间的第一曲率半径，且凸出内碗面连续地过渡到凹入外碗面。在燃烧碗的边缘上，凸出内边缘面突兀地过渡到凹入外碗面，以及凸出内边缘面限定40mm到70mm之间的第二曲率半径，从而，当活塞在上止点位置时，具有在径向向外的方向上逐渐变窄的锥形的细缝部分由气缸头且部分由复合边缘限定。
附图说明
图1是根据一个实施例的具有活塞的压缩点火内燃机的侧剖示意图；
图2是由图1中的活塞外表面限定的轮廓的侧面示意图；
图3是图2示出的轮廓的一部分的详细示意图；
图4是示出了根据本发明的压缩点火内燃机部分几何特征的图表；
图5a是阐释倒角边缘活塞和圆角边缘活塞的NOx和AVL烟雾的平衡关系的曲线图；
图5b是阐释倒角边缘活塞和圆角边缘活塞的NOx和BSFC的平衡关系的曲线图；
图6a是阐释直边碗活塞和缩口碗活塞的NOx和AVL烟雾的平衡关系的曲线图；
图6b是阐释直边碗活塞和缩口碗活塞的NOx和BSFC的平衡关系的曲线图；
图7a是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖示意图；
图7b是与图7a类似的侧剖示意图，示出了多个附加几何特征，且包括细部放大图；
图8是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖示意图，且包括细部放大图；
图9是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖示意图，且包括细部放大图；
图10是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖示意图，且包括细部放大图；
图11是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖示意图，且包括细部放大图；以及
图12是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖示意图，且包括细部放大图。
具体实施方式
图1示出了根据一个实施例的发动机10。发动机10可包括直接注射压缩点火内燃机，例如柴油机。发动机10还可包括发动机外壳12或发动机体、与发动机外壳12连接的气缸头14以及定位成在由发动机外壳12限定的气缸15内往复运动的活塞18。进气管道70与气缸15流体连通，并配置为向其供应空气，排气管道72同样与气缸15流体连通，并将燃烧产物排出其外。图1中没有示出进气阀和排气阀，它们通常以惯用的方式设置。废气再循环回路74可连接管道70和74，该废气再循环回路内设置废气再循环控制阀76和废气冷却器78。从下述说明中可以进一步明显得出，活塞18可以独特的方式设置，用于平衡与活塞18相关的燃烧效率性能和与活塞18相关的排放性能。特别是，活塞18可包括多项尺寸特征、比例特征、和形状特征，这些特征使发动机10在运行过程中产生相对低水平的NOx和产生相对低水平的微粒。本领域的技术人员知道，内燃机特别是柴油机在运行过程中可产生多种微粒。在本文中，这种微粒通常是指“烟雾”，且该术语在本文中不特指。
活塞18可包括具有外圆柱面22的活塞体20，所述外圆柱面22以惯用的方式与气缸15的缸壁相对地设置。本领域技术人员很容易想到，相对于活塞体20的长度来说，外表面22可以不是均匀的圆柱形，但是通常情况下，其包括一个沿着限定纵向活塞轴Z的轴向长度的至少一部分延伸的圆柱面。活塞体20还可包括第一轴向活塞端24，和具有燃烧面28的第二轴向活塞端26，所述燃烧面28限定复合燃烧碗30。可基于以下特性确定燃烧面是否在此如希望的那样限定出“复合(compound)”燃烧碗，如凹状或凸起，具有多种不同的表面且每个表面限定一个不同的半径，平坦或不平坦。因此，由具有均匀圆弧的横截面形状的燃烧面的一部分所限定的燃烧碗大概来说包括多个的表面、或者限定多个曲率半径、或者同时具有凹状和凸起，因此，大概来说可以是复合的。由燃烧面的凸起部和燃烧面的凹入部所限定的燃烧碗大概来说可以是复合的。具有两个分别限定不同曲率半径的凹面的燃烧碗也可以大概来说是复合的。文中术语“复合”的其它用法也应被类似地解释。燃烧面28可包括复合碗表面32，所述复合碗表面具有内碗面34和外碗面36。内碗面32可位于锥状突起31上。燃烧面28还可包括复合边缘面38，所述复合边缘面具有与外圆柱面22接合的外边缘面40和与复合碗表面32接合的内边缘面42。每个外边缘面40和内边缘面42可包括以纵轴Z为中心的环形表面，并且可包括本文中进一步描述的其它专有的特征。
燃烧面28还可包括从内碗面34到外碗面36的第一连续过渡段44和从内边缘面42到外边缘面40的第二连续过渡段46。燃烧面28还可包括从复合碗表面32到复合边缘面38的突兀过渡段48。图1从二维角度阐明了过渡段44，46和48，且本领域技术人员知道每个过渡段44，46和48都可包括一个环形过渡段。每个过渡段44，46和48都可包括分别属于两个毗邻表面的多个表面点。因此，过渡段44包括内碗面34的多个表面点和外碗面36的多个表面点。过渡段46和48可被类似地理解。每个过渡段44，46，和48都可以纵轴Z为中心。
参照图2，燃烧面28可以具有一个包括围绕纵轴Z的旋转轮廓的横截面轮廓。所述旋转轮廓可以成型为，用于平衡活塞18的燃烧效率性能与活塞18的NOx产生性能以及烟雾产生性能。旋转轮廓可在剖面内限定穿过包括纵轴Z的平面的活塞体20的一个曲线。由旋转轮廓限定的所述曲线可以是围绕纵轴Z径向均匀的，因此，不论在哪个方向上选择相关剖面，该曲线的形态都是一样的。
旋转轮廓限定的曲线可包括多个不同的曲线段，每个曲线段与燃烧面28的一个表面对应。如前文所提到的，燃烧面28可包括过渡段44，46和48。燃烧面28还可包括具有另外一个连续过渡段的第四过渡段52和具有从复合边缘面38到外圆柱面22的过渡段的第五过渡段54。在一个实施例中，第五过渡段54可包括一个连续过渡段，如圆角过渡段，但也可包括一个非连续的过渡段，如倒角过渡段，或倒角和圆角的组合。
如上所述，旋转轮廓可以是围绕纵轴Z径向均匀的。因此，此处对图1和2中所示的纵轴一个侧面上的旋转轮廓的一些特征的说明也应理解为参考在图1和2所示的轴Z的相反侧面上的旋转轮廓的特征是相似的。旋转轮廓可包括限定被纵轴Z对分的凸出曲线段的复合碗轮廓。该凸出曲线段可以与内碗面34相对应并且由该碗面限定。被复合碗轮廓限定的凸出曲线段在图2中由附图标记110表示。复合碗轮廓还可限定凸出曲线段110外侧的多个凹入曲线段，其对应于外碗面36并被外碗面36限定。多个凹入曲线段可包括多个第一凹入曲线段112和多个第二凹入曲线段114。复合碗轮廓还可包括多个线性曲线段120，其与凸出曲线段110接合，以及与凹入曲线段112接合。凹入曲线段112可与凹入曲线段114依次接合。旋转轮廓还可包括限定多个线性曲线段118的复合边缘轮廓，多个所述线性曲线段118对应于外边缘面40并被外边缘面40限定。所述复合边缘轮廓可进一步限定多个凸出曲线段116，该多个凸出曲线段116对应于内边缘面42并被内边缘面42限定，而且每个都与一个线性曲线段118接合。
在一个实施例中，内碗面34可包括位于锥状凸起31上并限定凸出曲线段110的锥状凸起表面，所述锥状凸起表面具有在纵轴Z中的峰点130。峰点130可位于图2中通过第一平面P1所示的第一轴向位置，所述第一平面P1包括峰点130且与纵轴Z垂直地定向。外边缘面40可包括一个平坦表面，并可限定平行于平面P1的边缘平面P2，其定位于第二轴向位置。突兀过渡段48可包括环形边缘，更具体地说，该环形边缘包括限定了定位于第三轴向位置的第三平面P3的燃烧碗30的边缘80，所述第三轴向位置轴向地位于平面P1的第一轴向位置和平面P2的第二轴向位置之间。因此，碗边缘80从边缘平面P2轴向地凹入。
如上所述，旋转轮廓可成型为，平衡燃烧效率与排放物的产生。一方面，为实现这些利益，旋转轮廓的形状是，由燃烧面28的一些表面限定的曲率半径的相对尺寸。为此，在一些实施例中，凸出曲线段110可限定如图1中半径R5所示的相对较小的曲率半径。多个凹入曲线段114，多个凹入曲线段112，或者两者都可限定多个中等曲率半径。由多个凹入曲线段112限定的中等曲率半径在图1中用R4表示，由凹入曲线段114限定的中等曲率半径在图1中用R3表示。在示出的实施例中，外碗面36限定多个不同的曲率半径R4和R3。如附图中所示的某些实施例，外碗面36可限定很多个曲率半径或只限定一个曲率半径。另外，由外碗面36限定的多个曲率半径可包括实际上比半径R5更小的一个或多个曲率半径。图1所示的实施例中，外碗面36通常包括比半径R5大的至少一个曲率半径，因此，其包括一个中等曲率半径。多个凸出曲线段116可分别限定比半径R5相对大的曲率半径，也可分别限定比半径R3和R4中的至少一个相对大的曲率半径。
参考图3，示出了燃烧面28轮廓的一部分的细部视图，特别包括在过渡段48接合的内边缘面42和外碗面36的部分。如上所述，过渡段48可包括一个突兀过渡段。在一个实施例中，突兀过渡段48可具有包括碗边缘80的环形边。环形边可包括环形缩口突起。这是图1，2和3示出的配置。在附图中示出的其它的实施例中，突兀过渡段48可不包括缩口突起，也可替换地使用直边的碗。针对用于速度较低且马力占空比较低的某些发动机中的活塞，这样的缩口碗结构占有优势。在速度更快且马力更大的应用中，已经发现没必要使用缩口碗结构来达到燃烧效率和排放物间期望的平衡。因为具体的排放要求和/或效率要求可能因发动机不同的大小或用途而不同，所以法律法规同样也影响着是否需要缩口碗。
与过渡段48相关使用的术语“突兀(abrupt)”的意思是在过渡段48处互相接合的燃烧面28的各表面是不连续的，或者是接近不连续的。“连续”过渡段的意思是在过渡段处互相接合的燃烧面28的表面平滑地彼此相交。连续过渡段易适用于确定由在与过渡段的一侧接合的表面中的第一点和与在过渡段第二侧接合的表面中的第二点限定的斜率。“突兀”过渡段可包括角但不易适用于以此方式确定斜率。通过确定由在各过渡段会合的燃烧面28的多个部分中的多个点限定的半径(如果存在)多大，也可确定此处的过渡段是突兀的。在一个实施例中，突兀过渡段48可包括限定第三凸出曲率半径的燃烧面28的多个表面点。图1中，第三凸出曲率半径由R2表示。半径R2也在图3中示出并且与一个微小的半径对应，比如约为15毫米或更小，该微小的半径在非缩口碗的结构中由突兀过渡段48限定。靠近附图标记R2的箭头尖端的虚线描绘了非缩口碗的轮廓，而实线描绘了缩口碗的轮廓。因此，该虚线描绘了一个在非缩口碗的结构中将限定微小半径R2的表面。图3中示出了另一半径RX，该半径RX与可由缩口燃烧碗结构中的突兀过渡段48限定的微小半径相对应。在一个实施例，缩口燃烧碗的实施例中，突兀过渡段48可包括去毛刺的(de-burred)过渡段。本领域技术人员会知道，从微观上看，实质上任意一个边都可理解为限定一个半径，而实际上在一些情况下，如果真的存在，则去毛刺的边可理解为限定基本可以忽略的半径。因此，半径RX或R2能够以通过尽可能短的圆弧段来连接燃烧28的多个表面点的方式限定，该圆弧段包括与图3中所示相似的分割接合表面的线条。接近附图标记RX箭头顶端的虚线是圆弧段，并且与将穿入和穿出图3页面的表面42和36分隔的假想线相交。RX是由所述虚线限定的微小半径。“突兀”过渡段也可理解为燃烧面内最锋利的过渡段。由在突兀过渡段48内的燃烧面28的多个表面点所限定的第三凸出曲率半径R2/RX可比较小的曲率半径R5还小，且还可以比较大的曲率半径R1小至少一个数量级。在特定的具体实施例中，半径R1可以约等于50毫米。
参照图4，用表格列举了与根据本发明的内燃机和活塞相关的不同特征。以考虑实现文中所述目的(即平衡燃烧效率性能和产生排放物的性能)的优势的方式，活塞18的一些特征和发动机10的一些特征(以及文中涉及的其它发动机)可以彼此关联。如前文中，内碗面34可包括在锥状突起31上的锥状突起表面。所述锥状突起表面可限定燃烧碗30的锥角。在图1中，锥角由附图标记A1表示。在实际操作过程中，锥角A1可约等于135°或更小，并且可介于约125°和135°之间。然而，在一些实施例中，较小的锥角也可在约124°和约128°之间。特定锥角是否合适，部分取决于下文中将会讨论的所使用的燃料注射器喷射角度和在气缸15内的燃料喷射羽流行进(plume travel)的期望样式。发动机10还包括安装在气缸头14上、具有多个喷射口(未在图中示出)的燃料注射器16。例如，喷射口的总数为5个或6个，且喷射口限定可以约为130°的注射器喷射角度。图1中，注射器喷射角度由附图标记A2表示。在一些实施例中，锥角A1可小于喷射角度A2。
在一些实施例中，注射器喷射角度A2和锥角A1的差可在约2°和约6°之间。在图1中，平面P3的第三轴向位置与平面P2的第二轴向位置之间的轴向距离可限定D4表示的碗边缘深度，其小于由平面P1和P2轴向位置间的差距所限定的锥深D5。在另外一个实施例中，锥深D5可约等于3mm或更大，且可在约3mm和约6mm之间。对于用于发动机1中的活塞，锥深可约等于3.2mm。边缘深度D4可在约1mm和约3mm之间。
本申请中的术语“约”应在包括多个有效数字的范围下理解。因此，当较大的曲率半径R1描述为约等于50mm，其应被理解为在45mm和54mm之间。从对图4中所示的图表的研究，可获得根据本申请的例举的活塞和发动机的其它尺寸特征和在这些特征两者之间及这些特征多者之中的例举关系。如上所述，图4中所示的图表包括根据本申请的多个不同发动机的例举的尺寸和比例关系。该图表阐释了第一发动机，即发动机1的参数，其包括本发明申请的受让人制造的例举的发动机C9。发动机2代表本发明申请的受让人制造的例举的发动机C13。发动机3A和3B包括多个发动机C15，发动机4包括一个发动机C18，发动机5包括一个发动机C27，以及发动机6A和6B分别包括多个发动机C32，上述所有发动机都是由本发明申请的受让人制造。
图4的图表中所示的尺寸表现实际操作过程和工作实施例的特定实例。以下表格限定了此处讨论的参数并列举了图4中的图表列举的一些参数的范围和附图中说明的一些参数的范围。
表格1
Figure BPA00001624819300111
Figure BPA00001624819300121
图7a-14分别说明了根据本发明的例举的活塞的特征。图7a和7b与在图4的图表中的发动机1对应，而图8与发动机2对应。图9与发动机3a对应，而图10与发动机3b对应。图11与发动机4对应，图12与发动机5对应，图13与发动机6a对应，图14与发动机6b对应。用在图7a-14中的附图标记表示的特征类似于图1中相同附图标记表示的特征。因此，在图7a-14的各个活塞中，R1都表示顶部半径，R3表示碗半径，等等。同样，除了用一个数字进行区别外，用在图7a-14中的附图标记表示的特征类似于图1中相同附图标记表示的特征。即，18表示图1实施例中的活塞，218表示图7a和7b中的活塞，318表示图8中的活塞，等等。
工业实用性
再参照图1，其中示出了具有活塞18的发动机10，该活塞示出为已经被推进至在气缸15内压缩行程末端处的上止点位置。空气被送入气缸15，使得在纵轴Z的圆周方向上围绕气缸15涡旋。在一个实施例中，包含空气和再循环废气的混合气体可以通过进气管道70被输送到气缸15中，使得混合气体以等于或小于发动机10旋转速度的速度旋转，换句话说，涡流比约为1或更小。此处，涡流比可以理解为涡旋气体的切向速度与发动机速度(RPM)的商。在活塞18的压缩行程中，气缸15内的混合气体可被压缩，使得混合气体的压力增加15到17个系数。
在活塞18即将推进到接近气缸15内的上止点位置前，燃料可以开始直接注射入气缸15。在一个实施例中，在一个发动机正时开始注射燃料，使得来自燃料注射器16中的喷射口的总共5或6个燃料喷射羽流各自的中轴朝向突兀过渡段48。以所示的方式，即在燃料注射开始的时刻对活塞18在气缸15内所取的截图，燃料喷射羽流的多个中轴可预期与碗边缘80相交。图1中从注射器16向外延伸的多条虚线示出了燃料喷雾羽流的多个中轴。如上所述，锥角A1可小于喷射角度A2。在燃烧碗30内，通常期望径向朝外指引燃料，从而可限制或完全避免朝向凸出内表面34执行燃料喷射。相对较小的锥角A1以及其它特征，如碗的形状和容量、注射时机、和喷射角度，也可有助于实现该目的。在活塞18到达上止点位置或即将到达上止点位置前，当活塞18处于上止点位置时，气体可从部分由气缸头14及部分由复合边缘38限定的细缝82挤出。值得注意的是，细缝82在径向向外的方向上具有逐渐变窄的锥形。特别是，气体可被向内挤向燃烧碗30并挤入其中，经过突兀过渡段48，并且以可靠的方式引起或至少增强气体以及雾化和汽化的燃料的涡旋。从细缝82挤出的气体所引起的涡旋可以发生在大致遵循燃烧碗30和气缸头14显露的内表面的轮廓的通道中。因此，在燃烧碗30朝向图1中轴Z右侧的部分中，气体可以沿逆时针方向涡旋，在轴Z的另外一侧沿顺时针方向涡旋。这区别于与输送气体进气缸15相关的涡旋样式(即轴Z的圆周)。在活塞18到达上止点位置或刚刚到达上止点位置后，对气缸15内的气体和燃料的混合物自动点火。
图5a包括曲线图，其对比了本申请揭示的倒角边缘活塞(虚线)和圆角边缘活塞(实线)的AVL烟雾与NOx。图5b包括曲线图，其对比了上述倒角和圆角边缘活塞的BSFC(汽车制动燃油消耗率)与NOx。图5a和5b的数据来源于本发明申请受让人制造的利用废气再循环的发动机C15。所述发动机以约1800RPM和1050牛顿米运行，即约100％负载状态运行。在保持起始注射压力和重要的注射时机不变的情况下，由抽取的废气再循环的量得到不同的NOx水平。从图5a和5b中可以看出，倒角活塞和圆角活塞中，发动机排放的碳烟比或烟雾以及BSFC非常相似。图5a中，在它们各自终端间的两条曲线分别显示出，测得的烟雾值的总变化约为两倍，且测得的NOx值变化约为2.5倍。在图5b中，两条曲线分别显示出，测得的BSFC值变化约为两倍，且测得的NOx值变化了约2％-3％。上述曲线图仅作为例证，其它测试条件可能产生不同的结果，但是，能够从图5a和5b的曲线得出的结论期望至少在某种程度上可概括成不考虑某些其它几何因素下的活塞碗设计方案。
图6a和6b分别包括曲线图，用于表示与NOx的产生比较的烟雾的产生及与NOx的产生比较的BSFC，其分别对应直边碗活塞结构(实线)和缩口碗活塞结构(虚线)。图6a和6b中的数据从与用于获得图5a和5b数据的、在类似条件下运行的相似的发动机中获得。可以看出，与直边碗结构相比，缩口碗结构在烟雾方面有明显改善，并且在BSFC的变化上可以忽略不计，即在测量能力范围内。图6b的曲线图中，每条曲线显示出，测得的烟雾值总变化约为2倍，测得的NOx值变化约为1.5倍。在图6a的曲线图中，直边碗曲线显示出测得的BSFC值的变化很小，缩口碗曲线在测量能力范围内显示出BSFC的总变化。图6b的每条曲线都显示出，测得的NOx值变化约为两倍。在所述的运行条件下和在获得图6a和6b的数据的发动机中，缩口碗结构在烟雾方面比直边碗结构改善了至少10％。如同图5a和5b的曲线图一样，从图6a和6b中得出的结论预期至少在某种程度上具有概括性。
如上所述，活塞和压缩点火内燃机的不同几何特征，以及发动机运行条件和方式，可以对效率和排放有显著影响。对这些参数的特殊作用的理解相对较少，且多个参数的交叉结合常常意味着约束某个能引起无法预测后果的参数。对于制造商来说，将这些挑战组合在一起是在发动机设计和操作过程中的一些变化方案，制造商可能不会特别强调效率和/或排放，但其对于如何能够构造某种特殊的发动机或活塞建立了固定的外部条件，由此限定了可用的设计方案。例如，涡流比是至少部分由发动机吸入系统中的部件的几何形状决定的一个因素。当重新设计吸入系统不可行时，研究一种实现合适的效率和排放物的活塞可能需要设计一种在由吸入系统约束的某些不变的限制条件下运转的活塞。相似地，当废气再循环被选为减少NOx的基本方案时，设计一种能够在基于EGR的发动机中提供适当性能的活塞可以区别于设计一种在采用其它减少NOx方案的系统中工作优良的活塞。也就是说，因为已知在至少一些实施例中EGR可以与NOx和烟雾之间的某种平衡相关，所以设计一种有助于减少NOx和烟雾的用于基于EGR的发动机的活塞需要取得的平衡不同于用在非EGR发动机中的、趋向于形成NOx和烟雾间不同平衡的活塞所需的平衡。还有其它因素，如气缸孔的大小和压缩比，可作为基本固定的外部限制条件。
因此，本领域技术人员明白，设计一种在“X”型号发动机中工作优良的活塞可以明显不同于设计适合“Y”型号发动机的活塞。但是，基于上述这些说明，仍然可获得一些归纳，其可以在根据本发明设计活塞、发动机、或操作方法中有助于做出选择。例如，很多实施例证实EGR能有效减少NOx，但是在一些实施例中使用EGR发动机中的燃烧状态可能产生过量的烟雾。已经发现，将过渡段48设计成其形状对于较大量的EGR相对更突兀而对于较小量或量为零的EGR相对不突兀可以有利于减少烟雾水平而没有NOx惩罚。关于边缘的几何形状，已经发现在某些早期设计中平坦边缘比利用本发明设计中使用的圆角边缘产生相对多的烟雾。从图4的表格中可以看出，一部分活塞设计为具有缩口燃烧碗，而其它活塞具有直边燃烧碗。在一些示例中，缩口碗结构会比直边碗结构产生相对小的烟雾量。然而，如上所述，发动机占空比可影响这些和其它性能。因此，对于期望以高速或高负载运行的发动机来说，有利的燃烧状况是，不管使用直边燃烧碗还是缩口燃烧碗，都会产生可接受的烟雾水平。
鉴于上述说明，可以看出，看似微小的几何形状的改变，特别是燃烧碗边缘或者靠近燃烧碗边缘的改变，能明显影响排放物和/或效率。因为这些特性也很大程度上取决于发动机是如何运行的，所以用于具有第一占空比的发动机的活塞在具有不同占空比的另一型号的发动机中可能不会良好运行。图4的表格中展示的示例包括代表本发明具体应用的八种不同的发动机。关于效率、NOx和烟雾的平衡，图4的图表中列举的不同参数具有相对不重要或重要的意义，且应视为重要的参数取决于期望达到的特定的平衡。
本说明书仅用于阐释发明目的，并不应以任何方式解释为限定本发明的范围。因此，本领域技术人员应明白，只要不背离本发明揭示的全部和等同的范围和精神，可对本发明揭示的多个实施例进行多种变型。通过浏览附图和所附权利要求，可以显而易见本发明的其它方面、特征以及优点。

Claims (10)

1.一种用于压缩点火内燃机(10)的活塞(18)具有：
活塞体(20)，所述活塞体包括限定纵向活塞轴的外圆柱面(22)、第一轴向活塞端(24)和具有限定燃烧碗(30)的燃烧面(28)的第二轴向活塞端(26)，所述燃烧面(28)包括具有内碗面(34)及外碗面(36)的复合碗表面(32)和复合边缘面(38)，所述复合边缘面具有与所述外圆柱面(22)接合的外边缘面(40)及与所述复合碗表面(32)接合的内边缘面(42)；
所述燃烧面(28)还包括具有围绕所述纵轴的旋转轮廓的横截面轮廓，所述旋转轮廓成型为，用于平衡所述活塞(18)的燃烧效率性能和所述活塞(18)的氮氧化物产生性能及烟雾产生性能；
所述旋转轮廓包括复合碗轮廓，所述复合碗轮廓限定与所述内碗面(34)对应的且被所述纵轴平分的凸出曲线段(110)，并且还限定所述凸出曲线段(110)外侧并与所述外碗面(36)对应的多个凹入曲线段(112，114)，所述凸出曲线段(110)限定较小的曲率半径，所述多个凹入曲线段(112，114)分别限定中等曲率半径；
所述旋转轮廓还包括限定与所述外边缘面(40)对应的多个线性曲线段(118)的复合边缘轮廓，以及还限定与所述内边缘面(42)对应的多个凸出曲线段(116)，所述多个凸出曲线段分别与所述多个线性曲线段(118)中的一个接合，所述多个凸出曲线段(110)分别限定较大的曲率半径；以及
所述燃烧面(28)还包括从所述内碗面(34)到所述外碗面(36)的第一连续过渡段(44)，从所述内边缘面(42)到所述外边缘面(40)的第二连续过渡段(46)，及从所述复合碗表面(32)到所述复合边缘面(38)的突兀过渡段(48)。
2.根据权利要求2所述的活塞(18)，其中，所述第一连续过渡段(44)包括线性过渡段，所述第二连续过渡段(46)包括圆角过渡段(48)，及所述突兀过渡段包括去毛刺的过渡段。
3.根据权利要求1所述的活塞(18)，其中，所述内碗面(34)包括限定所述对应的凸出曲线段(110)且具有峰点(130)的锥状突起表面(34)，所述峰点在所述纵轴内且定位在第一轴向位置，其中，所述外边缘面(40)限定了定位于第二轴向位置的边缘平面，以及其中，所述突兀过渡段(48)定位在轴向地位于所述第一轴向位置和所述第二轴向位置之间的第三轴向位置；
其中，所述锥状突起表面(34)限定所述燃烧碗(30)的锥角，所述锥角在约124°和约128°之间，其中，从所述第一轴向位置到所述第二轴向位置的轴向距离限定锥深，以及其中，从所述第三轴向位置到所述第二轴向位置的轴向距离限定小于所述锥深的边缘深度。
4.根据权利要求3所述的活塞(18)，其中，所述边缘深度在约1毫米到约3毫米之间，以及其中，所述锥深为约3毫米或更大。
5.根据权利要求3所述的活塞(18)，其中，所述突兀过渡段(48)包括环形缩口突起。
6.一种活塞(18，218，318，418，518，618，718，818，918)，其在具有15∶1到17∶1压缩比的直接注射压缩点火内燃机(10)中用于平衡燃烧效率与氮氧化物的产生及烟雾的产生，其中，所述发动机(10)具有等于1或更小的涡流比，燃烧碗的直径与气缸孔的直径的比率在0.68到0.74之间，且其中燃料注射喷射角度大于由所述燃烧碗(30，230，330，430，530，630，730，830，930)内的所述活塞(18，218，318，418，518，618，718，818，918)的锥状突起(31)限定的锥角，所述活塞(18)具有：
活塞体(20，220，320，420，520，620，720，820，920)，所述活塞体具有限定纵向活塞轴的外圆柱面(22)、包括限定复合燃烧碗(30，230，330，430，530，630，730，830，930)的燃烧面(28，228，328，428，528，628，728，828，928)的轴向活塞端(26)，并且，所述活塞体还具有位于所述轴向活塞端上且从所述燃烧碗(30，230，330，430，530，630，730，830，930)向所述外圆柱面(22)径向向外延伸的复合边缘(38，238，338，428，538，638，738，838，938)；
所述复合燃烧碗(30，230，330，430，530，630，730，830，930)包括位于所述锥状突起(31)上的凸出内碗面(34)，和凹入外碗面(36)，以及所述复合边缘(38，238，338，428，538，638，738，838，938)，所述复合边缘包括与所述外圆柱面(22)接合的平坦外边缘面(40)和与所述复合燃烧碗(30，230，330，430，530，630，730，830，930)接合的凸出内边缘面(42)；
其中，所述锥角约为135°或更小，所述凹入外碗面(36)限定7mm到20mm之间的第一曲率半径，以及所述凸出内碗面(34)连续地过渡到所述凹入外碗面(36)；以及
其中，在所述复合燃烧碗(30，230，330，430，530，630，730，830，930)的边缘(80)上，所述凸出内边缘面(42)突兀地过渡到所述凹入外碗面(36)，以及所述凸出内边缘面(42)限定40mm到70mm之间的第二曲率半径，因此所述燃烧碗(30)的所述边缘(80)从由所述平坦外边缘面(40)限定的平面轴向地凹入，使得当所述活塞(18，218，318，418，518，618，718，818，918)位于发动机(10)的上止点位置时气体从细缝(82)中挤出，所述细缝具有向外逐渐变窄的锥形且部分由所述气缸头(14)及部分由所述复合边缘(38，238，338，428，538，638，738，838，938)限定。
7.根据权利要求6所述的活塞(18，218，318，418，518，618，718，818，918)，其中，所述燃烧碗(30，230，330，430，530，630，730，830，930)的所述边缘(80)位于环形缩口突起上。
8.一种运行压缩点火内燃机(10)的方法，包括以下步骤：
输送空气到所述发动机(10)的气缸(15)内，使空气围绕所述气缸(15)涡旋；
向所述气缸(15)内的上止点位置推送具有复合燃烧碗(30，230，330，430，530，630，730，830，930)的活塞(18，218，318，418，518，618，718，818，918)，其中，所述燃烧碗(30，230，330，430，530，630，730，830，930)的直径与所述气缸(15)的直径的比率在0.68到0.74之间，以及所述燃烧碗(30，230，330，430，530，630，730，830，930)包括连续地过渡到凹入外碗面的凸出内碗面(34)，所述凹入外碗面限定7mm到20mm之间的第一曲率半径；
在推送步骤中，从部分由所述发动机(10)的气缸头(14)及部分由所述活塞(18，218，318，418，518，618，718，818，918)的复合边缘(38，238，338，428，538，638，738，838，938)限定的细缝(82)挤出气体，所述复合边缘(38，238，338，428，538，638，738，838，938)具有平坦外边缘面(40)和限定由40mm到70mm的第二曲率半径的凸出内边缘面(42)；
输送被挤出气体经过在所述复合边缘(38，238，338，428，538，638，738，838，938)和所述复合燃烧碗(30，230，330，430，530，630，730，830，930)之间的突兀过渡段(48)；以及
将燃料直接注射到所述气缸(15)内，使空气和燃料在所述气缸内自动点燃。
9.一种直接注射压缩点火内燃机(10)，具有：
发动机外壳(12)，所述发动机外壳限定气缸孔且包括分别与所述气缸孔流体连通的进气管道(70)和排气管道(72)；
与所述发动机外壳(12)连接的气缸头(14)；
燃料注射器(16)，所述燃料注射器设置在所述气缸头(14)内且构造为，将燃料直接注射入所述气缸(15)内，所述燃料注射器(16)具有限定喷射角度的多个喷射口；
活塞(18，218，318，418，518，618，718，818，918)，所述活塞用于在所述气缸(15)内燃烧燃料和空气的混合物的过程中平衡燃烧效率和氮氧化物的产生及烟雾的产生，所述活塞(18，218，318，418，518，618，718，818，918)包括具有限定纵向活塞轴的外圆柱面(22)的活塞体(20，220，320，420，520，620，720，820，920)和具有限定复合燃烧碗(30，230，330，430，530，630，730，830，930)的燃烧面(28，228，328，428，528，628，728，828，928)的轴向活塞端(26)，其中，所述燃烧碗(30，230，330，430，530，630，730，830，930)的直径与所述气缸孔的直径的比率在0.68到0.74之间；
所述活塞(18，218，318，418，518，618，718，818，918)还包括所述活塞碗(30，230，330，430，530，630，730，830，930)内的锥状突起(31)，和在径向向外的方向上从所述燃烧碗(30，230，330，430，530，630，730，830，930)到所述外圆柱面(22)延伸的复合边缘(38，238，338，428，538，638，738，838，938)；
所述燃烧碗(30，230，330，430，530，630，730，830，930)包括位于所述锥状突起(31)上的凸出内碗面(34)，和凹入外碗面(36)，以及所述复合边缘(38，238，338，428，538，638，738，838，938)，所述复合边缘包括与所述外圆柱面(22)接合的平坦外边缘面(40)和与所述燃烧碗(30，230，330，430，530，630，730，830，930)接合的凸出内边缘面(42)；
其中，所述锥状突起(31)限定小于所述喷射角度的锥角，所述锥角约为135°或更小，所述凹入外碗面(36)限定7mm到20mm之间的第一曲率半径，以及所述凸出内碗面(34)连续地过渡到所述凹入外碗面(36)；以及
其中，在所述燃烧碗(30)的边缘(80)上，所述凸出内边缘面(42)突兀地过渡到所述凹入外碗面(36)，以及所述凸出内边缘面(42)限定40mm到70mm之间的第二曲率半径，使得当所述活塞(18，218，318，418，518，618，718，818，918)位于上止点位置时，具有径向向外逐渐变窄的锥形的细缝(82)部分由所述气缸头(14)及部分由所述复合边缘(38，238，338，428，538，638，738，838，938)限定。
10.根据权利要求9所述的发动机(10)还具有在所述排气管道(72)和所述进气管道(70)之间流体连通的废气循环回路(74)。
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