CN104295397B - 用于减少颗粒物质产生的活塞、发动机和操作方法 - Google Patents

Abstract

一种用来减少在上死点位置之后直接喷射的燃料的燃烧期间颗粒物质产生的活塞，包括限定大约263mm的活塞体直径的活塞体和位于第一轴向主体端上面的燃烧面。燃烧面包括燃烧碗和绕燃烧碗周向延伸的环形活塞边缘。内外边缘表面以大约1:1到大约2:1的比一起构成该边缘的水平宽度。内边缘表面包括大约9°到大约11°倾斜的斜面，因此边缘的轮廓被去除以限制直接喷射的燃料通过活塞朝向气缸壁的偏移。

Description

用于减少颗粒物质产生的活塞、发动机和操作方法

技术领域

本申请总的涉及一种内燃发动机的活塞，具体涉及一种限制直接喷射的燃料朝向气缸孔壁偏移的活塞燃烧面的轮廓。

背景技术

各种操作策略和部件几何结构在内燃发动机领域是众所周知的。几十年来，工程师们已经尝试利用不同方式操作燃料系统、排气系统、进气系统和其它发动机系统，以及利用不同方式成形发动机部件并使其比例匀称。这种尝试背后的一个动机是平衡降低发动机排气中的某些排放物和优化效率之间的常常是竞争性的问题。内燃发动机通常燃烧空气和碳氢化合物燃料。燃料和空气的燃烧由内燃发动机产生可包括各种化合物和材料的废气，诸如煤烟、灰烬、未燃碳氢化合物、水、二氧化碳、一氧化碳以及各种各样其它的有机物和无机物。

近年来，减少统称为“NOx”的氮氧化物的排放以及减少一般情况下包括煤烟和灰烬的颗粒物质已是内燃发动机研究领域的特别关注点。减少这些不希望的废气成分往往以效率特性为代价，例如燃料效率和/或可达到的发动机速度或者发动机功率。此外，减少NOx的策略会增加颗粒物质，反之亦然。如上所述，近几年来，发动机的部件形状和操作参数以几乎数不清的方式进行变化。特别关注的一个领域(area)包括试图以这种方式成形活塞燃烧面以使某些废气排放降低而不牺牲效率。

旨在减少排放而不过度牺牲效率的一个普遍活塞设计包括由活塞燃烧面限定的燃烧碗，活塞燃烧面暴露于发动机燃烧室并限定发动机燃烧室的一部分。相信燃烧碗在燃烧期间会以这种方式影响气体和雾化液体燃料的流动和燃烧性能，使得燃烧产物的组成可以出于各种目的调整。

目前，尽管对活塞燃烧碗开展了大量的研究和商业设计，在燃烧事件期间涉及碗形状和活塞边缘形状的燃烧学仍不能被完全理解。众所周知的是，对燃烧碗和/或边缘几何结构的即使相对小的修改也会对燃烧产物的类型和相对比例产生明显影响。由于缺乏足够的了解，本领域几乎没有对如何实现任何具体设定的目标提供引导。工程师们已经发现，他们知道的许多不同变量对排放和/或效率有一些影响，但是这些变量和其它因素的编组往往不会带来令人满意并且可预知的结果。开发合适的设计往往需要多年的研究和开发，包括全面的应用、测试和现场分析。一种专用的活塞设计由Mahakul等人的美国专利US7,025,031获知。

发明内容

一方面，提供一种活塞，用来减少在发动机循环中在经过活塞上死点位置之后直接喷射到压缩点火内燃发动机的直径大约为265mm的气缸孔内的燃料的燃烧期间颗粒物质的产生。活塞包括活塞体，其限定在第一轴向主体端和第二轴向主体端之间延伸的纵向轴线并且包括在第一轴向主体端和第二轴向主体端之间延伸并且限定大约263mm的活塞体直径的外主体表面，以及位于第一轴向主体端上面的燃烧面。燃烧面包括一起形成燃烧碗的凸出的内碗表面和凹入的外碗表面，以及一起形成绕燃烧碗周向延伸的环形活塞边缘的外边缘表面和内边缘表面。环形活塞边缘限定一平面，该平面延伸经过外边缘表面和内边缘表面的交叉点并垂直于纵向轴线取向。燃烧碗具有水平直径和距平面的竖直深度，因此直径与深度的比为大约7:1，并且凹入的外碗表面限定使凹入的外碗表面与深度和直径相配合的曲率半径，因此燃烧碗的轮廓在凸出的内碗表面径向外部均匀弯曲和无凹角。内外边缘表面一起构成环形边缘的水平宽度，内边缘表面宽度与外边缘表面宽度的比为大约1:1到大约2:1。内边缘表面包括以大约9°到大约11°的倾角从平面竖直向下倾斜的斜面，因此环形边缘的轮廓是外边缘表面的均匀线性径向内部，并且被去除以限制直接喷射的燃料通过活塞朝向气缸孔壁的偏移。

另一方面，内燃发动机包括发动机壳体和燃料喷射器，发动机壳体具有形成在其中的具有限定大约265mm气缸孔直径的内壁的气缸孔，燃料喷射器至少部分位于气缸孔内并被配置为在那里直接喷射燃料。发动机进一步包括位于气缸孔内并能够从下死点位置运动到上死点位置的活塞，因此气缸孔内的流体压力增加大约十五倍或更大以使直接喷射的燃料和空气自动点火。活塞进一步包括燃烧面，具有一起形成燃烧碗的凸出的内碗表面和凹入的外碗表面，以及一起形成绕燃烧碗周向延伸的环形活塞边缘的外边缘表面和内边缘表面。环形活塞边缘限定一平面，该平面延伸经过外边缘表面和内边缘表面的交叉点并垂直于纵向轴线取向。燃烧碗具有水平直径和距平面的竖直深度，因此直径与深度的比为大约7:1。凹入的外碗表面限定使凹入的外碗表面与深度和直径相配合并且形成燃烧碗无凹角轮廓的曲率半径。内外边缘表面一起构成环形边缘的水平宽度，内边缘表面宽度与外边缘表面宽度的比为大约1:1到大约2:1。内边缘表面包括以大约9°到大约11°的倾角从平面竖直向下倾斜并且形成环形边缘的去除轮廓的斜面。

又一方面，操作内燃发动机的方法包括在发动机循环中转动内燃发动机的曲轴，因此与曲轴相连的活塞在具有大约265mm气缸孔直径的气缸孔内在下死点位置和上死点位置之间运动。该方法进一步包括将燃料直接喷射到气缸孔内，因此至少一些燃料是在活塞已在发动机循环中经过上死点位置之后喷射的。该方法更进一步包括通过曲轴的转动定位活塞，因此以大约9°到大约11°的倾角倾斜的活塞倾斜内边缘表面位于在活塞已经经过上死点位置之后喷射的燃料的喷射路径上。该方法更进一步包括经由倾斜内边缘表面上的冲击将在活塞已经经过上死点位置之后喷射的燃料至少部分引导至具有碗直径与碗深度比为大约7:1的活塞燃烧碗内，因此喷射的燃料通过活塞朝向气缸孔壁的偏移受到限制。该方法更进一步包括对气缸孔内包括喷射燃料和空气的混合物进行自动点火。

附图说明

图1是根据一个实施例的发动机系统的部分剖面的侧向示意图；

图2是根据一个实施例的活塞的剖面侧视图；

图3是根据另一个实施例的活塞的剖面侧视图；

图4是现有活塞的剖面侧向示意图，显示出其在发动机循环中与来自燃料喷射器的燃料喷射流相互作用时的状态；和

图5是根据本发明的活塞的剖面侧向示意图，显示出其在发动机循环中与来自燃料喷射器的燃料喷射流相互作用时的状态。

具体实施方式

参考图1，根据一个实施例图示出包括压缩点火式内燃发动机12的发动机系统10。发动机12可包括具有形成在其中的多个气缸孔的发动机壳体14，图示出一个气缸孔并通过参考数字22标示。发动机12进一步包括气缸盖16，其以常规方式与发动机壳体14相连并且包括形成在其中并各自与气缸孔22流体连通的进气管道18和排气管道20。发动机12可包括直接喷射式发动机，为此包括具有燃料喷射器30的燃料系统24，燃料喷射器至少部分位于气缸孔22内并被配置为在其中直接喷射燃料。燃料系统24可以是相对高压的共轨燃料系统，包括被配置为将加压液体燃料、例如液体柴油馏出物供给到为燃料喷射器30提供供给的共轨28的高压泵26。

在实际应用的多缸策略中，共轨28将加压燃料供给到多个燃料喷射器30，各个燃料喷射器至少部分设置在发动机壳体14中的多个气缸孔中的一个内，其中设置大体上相同的活塞，正如在此进一步论述的。燃料喷射压力可以为大约200Mpa，或者可能更大。在某些实施例中，发动机12可以包括总共12或16个气缸孔，并且具有大约4600马力的额定功率输出。尽管本发明并不由此受到限制，发动机系统10可适用于实际上使发动机12始终保持运行的服务型应用，例如机车和某些海事应用，并且通常被配置为为发电机提供功率从而发动机系统10形成机车、船舶等等机载的所谓发电机组的一部分。

正如上所述，近些年来已对用于各种环境中的内燃发动机设置和/或增加某些限制，为此发动机系统10可特别被配置为在操作期间减少某些废气排放物的产生，特别是颗粒物质和氮氧化物或者NOx。为此，发动机系统10还可配有废气再循环回路34，其流体连接在进气管道18和排气管道20之间并且具有位于其中的废气再循环阀36。发动机系统10还通过相对高的燃料喷射压力、设置为从排气管道20接收排出气体的选择性催化还原(SCR)模块32以及其它特征进行改变以适用于减少如上所述的废气排放物的产生。除了例如EGR回路34、燃料系统24和SCR模块32的发动机系统10的部件之外，发动机硬件以及特别是直接暴露于气缸孔22内的燃烧过程的表面形状以通过接下来的描述显而易见的方式帮助达到排放目标。

为此，发动机12进一步包括位于气缸孔22中并能够在下死点位置和上死点位置之间运动的活塞40，因此气缸孔22内的流体压力增加大约十五倍或更大以使在那里直接喷射的燃料和空气自动点火。发动机12的压缩比可以为大约15.9:1。活塞40可按照常规方式37与曲轴37相连以使活塞40在其上下死点位置之间运动。与某些其它发动机操作策略和结构相比，活塞40特别适用于减少发动机循环中在活塞40的上死点位置之后直接喷射的燃料燃烧期间颗粒物质的产生。活塞40可进一步被特别配置为用在直径为大约265毫米(mm)的气缸孔内，在图1中通过气缸孔直径尺寸38图示。

活塞40可包括活塞体42，其限定在第一轴向主体端50和第二轴向主体端52之间延伸的纵向轴线48。活塞42可进一步包括外主体表面54，其在第一轴向主体端50和第二轴向主体端52之间延伸并且限定大约263mm的活塞体直径56。活塞体42进一步包括在第一轴向主体端50上面的燃烧面58。在实际应用策略中，活塞40可被配置为具有附接于裙边46的冠部44的两件式活塞，不过一件式活塞体同样落入本发明的范围内。在实际应用策略中，活塞40配有活塞环并在由气缸衬套限定的气缸孔内在其下死点位置和上死点位置之间往复运动，不过活塞环、气缸衬套和发动机12的某些其它部件都没有图示于图1中。

燃烧面58包括一起形成燃烧碗64的凸出的内碗表面60和凹入的外碗表面62。燃烧面58进一步包括一起形成绕燃烧碗64周向延伸的环形活塞边缘70的外边缘表面66和内边缘表面68。表面66以及68限定平面72，该平面延伸经过外边缘表面66和内边缘表面68的交叉点74并垂直于纵向轴线48取向。活塞40在包括纵向轴线48的截平面上描绘在图1的发动机12中。可以理解的是，图示于图1中的活塞40以及燃烧面58的轮廓是转动轮廓，因此该轮廓在关于纵向轴线48的任一角度取向上沿类似截面截取应当是相同的。正如上所述，活塞40的某些特征，尤其是燃烧面58的形状特别适合于在燃烧过程中参与直接喷射的燃料、空气和经由EGR回路34输送的可能的废气的分配、引导以及混合。正如根据接下来的描述进一步显而易见的，燃烧面58的相对比例、形状、尺寸、角度关系以及其他几何属性使达到减少颗粒物质产生的目标变得可能，尤其是满足或者甚至超过发动机系统10落入的发动机类型和功率等级的所谓Tier IV Final的要求。

燃烧碗64具有水平直径76和距平面72的竖直深度78，使得直径76与深度78的比为大约7:1。更具体而言，该比可以是大约6.97:1到大约6.99:1。本领域技术人员应当理解，与某些已知的活塞碗设计相比，这种碗直径和深度的比相对要宽并且浅。外碗表面62可进一步限定使外碗表面62与深度78和直径76相配合的曲率半径80，使得燃烧碗64的轮廓在内碗表面60的径向外部均匀地弯曲并且是无凹角的。该曲率在径向方向上是一致的，如图1所示，同样在周向转动方向上也是一致的。理解该特征的另一种方式是，半径80成形燃烧面58，使得外碗表面62可在向外方向上从内碗表面60平稳过渡，并且要求碗64的曲率基本上没有变化以获得希望的碗孔比，并且具有无凹角形状，使得在燃烧面58在碗64和边缘70之间过渡的区域附近，碗64不延伸经过竖直取向。本领域技术人员还应理解与凹角和无凹角燃烧碗相关的各种差异，尤其是在直接喷射压缩点火范畴内，因为燃烧期间得到的不同流动的气体和喷射燃料会导致不同的燃烧性能。

现在同样参考图2，内边缘表面68和外边缘表面66以内边缘表面宽度84与外边缘表面宽度86的比一起构成环形边缘70的水平宽度82。换言之，边缘70的总宽度是由内边缘表面68的宽度和外边缘表面66的宽度以一比另一的比构成的。在实际应用策略中，内边缘表面宽度84和外边缘表面宽度86的比可从大约1:1到大约2:1。更具体而言，该比可从大约1.5:1到大约1.8:1。再更具体而言，该比可以是大约1.52:1到大约1.78:1。正如这里所用的，术语“大约”可总体在有效位数一致的数字的惯用四舍五入范围内理解。因此，“大约265mm”表示从264.5mm到265.4mm。在此公开的比范围内，应用类似的惯例但只对比的第一数值进行四舍五入。在不使用术语“大约”的数量方面，由于没有数量总是能够真实准确获知的，本领域技术人员理解为可适用更具约束性的理解。例如，由于“大约1:1”应被理解为表示从0.5:1.0到1.4:1.0，不带术语“大约”的术语1:1本身应作更狭义的解释。

内边缘表面68可进一步包括以从大约9°到大约11°的倾角88从平面72竖直向下倾斜的斜面，因此环形边缘70的轮廓是外边缘表面66的均匀线性径向内部，并且被去除以限制直接喷射的燃料通过活塞40朝向气缸孔22的壁23的偏移。“去除”是指通过从边缘70和碗64的交叉点处原本基本为直角的转角去除材料获得的轮廓。正如由接下来的描述而进一步显而易见的，边缘70的特征结合燃烧碗64的特征以及发动机12的其他特征限制燃料偏移成与壁23接触，因此燃料可参与燃烧过程，并且总体上避免本领域内称作“湿壁”的现象。这导致由于液体燃料接触相对冷的壁23或者未能完全燃烧造成的烟雾减少，同时减少积聚在通常在操作期间以众所周知的方式在壳体14和活塞40之间流动的发动机油中的煤烟等等。

燃烧面58可进一步包括在内边缘表面68和凹入的外碗表面62之间过渡的环形唇表面90。内边缘表面68可从平面72到环形唇表面90倾斜竖直距离92，换言之倾斜一倾角斜距(chamfer slope distance)。在实际应用策略中，内边缘表面宽度84可比竖直距离92大大约五倍或者更大。过渡进一步从唇表面90向内，而凹入的外碗表面62可清晰地被理解为具有整体凹入的形状，表面62的相对小的竖直或者直壁部分可邻接唇表面90并且具有直壁高度94。在某些实施例中，直壁高度94可为大约2mm。同样图示于图2中的是由凸出的内边缘表面60限定的底部角度61。在实际应用策略中，底部角度可以为大约142°。同样在实际应用策略中，曲率半径80可以小于燃烧碗64的竖直深度78。直径76可比半径80大大约九倍或者更大。更具体而言，半径80可以为大约20mm，深度78可以为大约30mm，直径76可以为大约210mm。再更具体而言，半径80可以为23.36mm，深度78可以为30.03mm，直径76可以为209.5mm。就与边缘70有关的特征而言，在实际应用策略中竖直距离92可以为大约3mm，内边缘表面宽度84可以为大约17mm。外边缘表面宽度86可以为大约10mm。正如由图2所见，外边缘表面66可以是平面的，因此平面72经过交叉点74，但是同时也与外边缘表面66本身基本共面。在实际应用策略中，由凹入的外碗表面66限定的圆，换言之具有半径80的圆的中心之间的中心距96可以为大约163mm。通过距离96分开的这些圆的中心可以位于平面72下方，例如距离大约6.7mm。燃烧碗64的总容积可以为大约813cm3，不包括经过凸出的内碗表面60的孔(未标号)。

如上所示，外边缘表面66可以是平面的。现在参见图3，在替代实施例中，预计落入本发明范围内的活塞可具有本身为大体斜面形式的外边缘表面，与平面大不相同。在图3中，活塞140包括活塞体142，其具有限定燃烧碗164的燃烧面158。燃烧面158还包括一起形成绕燃烧碗164周向延伸的环形边缘170的外边缘表面166和内边缘表面168。未作为不同而在此论述的燃烧碗164的特征以及就这点而论活塞140的特征可被理解为与结合上述活塞40论述和图示的那些特征基本上一致。在图3实施例中，外边缘表面166和内边缘表面168可被理解为以内边缘表面宽度184与外边缘表面宽度186的比一起构成边缘170的水平宽度。边缘170限定延伸经过边缘表面166和168的交叉点174的平面172。内边缘表面168可包括以倾角188从平面72竖直向下倾斜的斜面，该倾角可以与结合上述活塞42论述的倾角和角度范围相同。内边缘表面宽度184与外边缘表面宽度186的比也可与结合活塞42论述的比相同。内边缘表面168还可以倾角188竖直向下倾斜并距平面172一竖直距离192，其大体与活塞42中的角度88和距离92类似并且相同。和活塞42相比，外边缘表面166可以大于角度188的第二角度190从交叉点174朝向活塞142的外主体表面竖直向上倾斜。表面166从平面172上升的竖直距离由参考数字198图示，并且可以为大约3mm。活塞140中的边缘形状可给出与活塞40就减少颗粒物质产生而言类似的优势。外边缘表面166的向上倾斜结构还将其它边缘表面设置在帮助限制湿壁的取向上，同时减少活塞和气缸盖之间的所谓挤压容积来限制易于发生不完全燃烧的孔22的容积。

工业实用性

正如上所述，活塞和压缩点火内燃发动机的各种几何特征以及发动机操作条件和策略可影响效率和排放。这些参数中的许多参数的特定作用相对理解的不够充分，并且各参数的交叉耦合往往意味着触发任何特定的一个都具有不可预知的后果。调合这些挑战的是厂商与厂商之间发动机设计以及操作方面的某些变化，这些变化不能明确地用来解决效率和/或排放，但是形成了任何一种特定发动机或者活塞可如何配置的固定外部限制，因此限制了可用的设计方案。需要再次提出的是，出于减少某些排放的目的，发动机10可以相对高的燃料喷射压力和废气再循环进行操作。废气再循环易于冷却燃烧温度，减少NOx，但是同时会增加经由燃烧产生的颗粒物质或者煤烟的量。发动机10中采用的减少NOx的其它策略包括延迟喷射正时，其中在活塞40到达并且经过其在发动机循环中的上死点位置之后的一段时间进行燃料喷射。在实际应用策略中，喷射可在上死点位置前大约2°处开始，并且持续到上死点位置之后大约7或者8°曲柄角处。这被认为具有扩散燃烧起主导作用的结果，与匀质装载的压缩点火不同，同时还与减少NOx产生有关。这两个策略，延迟喷射正时和废气再循环在减少NOx方面都有有益效果，但也可能增加颗粒物质的产生。相对较高的喷射压力可经由更大的燃料雾化促进喷射燃料的相对完全燃烧，可能减少颗粒物质，但也增加燃料喷射的穿透深度，这会产生或者加重所谓的湿壁或者其它问题，导致颗粒物质产生增加。

因此本例代表工程师们面临改善具有许多固定的外部限制、例如孔尺寸和一般情况下的发动机压缩比的已有发动机平台的排放的挑战的场面。由于重新设计气缸孔和明显改变压缩比是不希望的选择，对燃烧碗的几何结构进行大量的试验。最终可以确定的是，废气再循环、延迟喷射正时和对现有发动机平台的某些其它小改动理论上可以充分减少Nox以满足Tier IV Final要求。然而，只有能够解决对颗粒物质产生存在的潜在不利影响，这些策略才可以实现。由于防止燃料喷雾朝向气缸壁偏移的燃烧碗和边缘设计，发现可以获得或者甚至超出期望的排放图(emissions profile)，而不需对现有发动机平台进行不希望的或者不合实际的改动。这至少部分源于这样的见识，即通过去除邻近燃烧碗边缘的相对少量的材料可以模拟相对较宽的燃烧碗，从而能够使燃料喷雾推向或者导回向气缸孔的中心，并且转向燃烧碗而不是朝向气缸孔壁偏移。通过接下来对示例性现有策略与本申请比较的论述，这些原则将进一步显而易见。

现在转向图4，图示出已有的活塞240，其具有被平活塞边缘270环绕的燃烧碗264。燃料喷射器230图示为其以燃料喷射流275喷射燃料时的状态，具有在喷射流中大体中心定位的轴线277。在图4中，需要指出的是，轴线277以这种方式偏离边缘270，因此燃料喷射流274或其一部分从边缘270弹开并弹向其中设置有活塞240的气缸孔壁。与此相反，图5图示活塞40在具有中心轴线77的燃料喷射流75已经喷射且靠近发动机循环中喷射停止点时的状态，例如，活塞40处于经过上死点位置几度的地方。需要注意的是，燃料喷射流75的中心轴线77偏离边缘70并且返回到燃烧碗64。以这种总体方式，预期很少(如果有的话)的燃料喷射朝着气缸孔壁反弹，相反燃料将被引导到燃烧碗64中。在图5所示的状态下，活塞40向下运动，这种运动可帮助实现燃料喷射的希望导向。当活塞40如图5在其上死点位置和下死点位置之间运动时，曲轴37必然转动。将以燃料喷射流75直接喷射到气缸孔喷射燃料，因此至少一些燃料是在活塞40经过其上死点位置之后喷射的。曲轴37的转动因而易于定位活塞40使得内边缘表面68取向成使燃料喷射转向或者帮助转向，如图5，从而防止偏向气缸壁23并最终撞在气缸壁23上。换句话说，曲轴37的转动以及曲柄角和活塞位置的因果关系(linking)可使内边缘表面68能够定位在活塞40经过其上死点位置之后喷射的燃料的喷射路径上。在燃料喷射期间，喷射流75可与气缸孔22内的空气自动点火。图5中由燃料喷射流75限定的喷射角81可以为大约140°。

需要再次提出的是，燃烧碗64可被认为是模拟较宽的碗。虽然较宽的碗可以克服如图4所示的问题，但也可预料较宽的碗在活塞和/或发动机设计过程中引入其它问题、不确定性或者复杂性。这种复杂性中的一个为对燃烧碗容积的影响，这又影响压缩比。换句话说，虽然从控制燃料喷射在气缸中的走向以利用较宽的燃烧碗的观点这可以是可行策略，但这种策略至少部分由于对压缩比的预期影响而不利。活塞或者气缸盖设计或甚至行程距离中的其它改变都可能是补偿变化压缩比所必需的。反之来自现有平台的压缩比变化仅仅略微减小。

因此本领域技术人员可以理解，满足发动机10排放目标的尝试本能够采取多种不同途径，包括尝试使用相对较大的燃烧碗、尝试利用再次进入、可变的阀正时或者各种其它策略中的任何一种。因此仅仅依赖开发例如倾斜的内边缘表面的设计来在多种其他潜在可能的选择中控制燃料喷射方向和偏转，这些潜在可能的选择本身甚至存在优化倾斜的内边缘表面和其他活塞特征的理论可能性。在目前情况下，发现延迟喷射正时、喷射角度、一般活塞尺寸以及其他因素的组合有助于在此作为优选策略给出的内边缘表面和外边缘表面宽度比、燃烧碗直径与深度比和内边缘表面的几何结构。

当前说明书仅仅是示例性目的，不应解释为以任一方式使本发明的范围变窄。因此，本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的完整合理范围和本质的情况下可对当前公开的实施例进行各种变型。根据检查附带的附图和所附的权利要求书，其他方面、特征和优势是显而易见的。

Claims (9)

1.一种活塞，用来减少在发动机循环中在活塞的上死点位置之后直接喷射到压缩点火内燃发动机的直径为大约265mm的气缸孔内的燃料的燃烧期间颗粒物质的产生，该活塞包括：

活塞体，其限定在第一轴向主体端和第二轴向主体端之间延伸的纵向轴线并且包括在第一轴向主体端和第二轴向主体端之间延伸并且限定大约263mm的活塞体直径的外主体表面以及位于第一轴向主体端上面的燃烧面；

燃烧面包括一起形成燃烧碗的凸出的内碗表面和凹入的外碗表面，以及一起形成环形活塞边缘的外边缘表面和内边缘表面，该环形活塞边缘绕燃烧碗周向延伸并且限定延伸经过外边缘表面和内边缘表面的交叉点并垂直于纵向轴线取向的平面；

燃烧碗具有水平直径和距所述平面的竖直深度，使得直径与深度的比为大约7:1，并且凹入的外碗表面限定使凹入的外碗表面与所述深度和直径相配合的曲率半径，从而燃烧碗的轮廓在凸出的内碗表面的径向外部均匀弯曲并且是无凹角的；以及

内边缘表面和外边缘表面一起构成环形边缘的水平宽度，内边缘表面宽度与外边缘表面宽度的比从1:1到2:1，内边缘表面包括以9°到11°的倾角从平面竖直向下倾斜的斜面，使得环形边缘的轮廓在外边缘表面的径向内部是均匀线性的，并且被去除以限制直接喷射的燃料通过活塞朝向气缸孔壁的偏移，外边缘表面从与内边缘表面的交叉点朝向外主体表面竖直向上倾斜。

2.如权利要求1所述的活塞，其中，内边缘表面宽度与外边缘表面宽度的比值为从1.5:1到1.8:1；

其中燃烧面进一步包括在内边缘表面和凹入的外碗表面之间过渡的环形唇表面，内边缘表面从平面到环形唇表面倾斜一竖直距离，内边缘表面宽度比竖直距离大五倍。

3.如权利要求2所述的活塞，其中，竖直距离为大约3mm；

其中内边缘表面宽度为大约17mm并且外边缘表面宽度为大约10mm；以及

外边缘表面是平面的，内边缘表面的倾角为大约10°。

4.如权利要求1所述的活塞，其中，外边缘表面以比所述倾角更陡峭的第二角度从交叉点竖直向上倾斜。

5.如权利要求1所述的活塞，其中，由凹入的外碗表面限定的曲率半径小于燃烧碗的深度，燃烧碗的直径比曲率半径大九倍；

其中曲率半径为大约20mm，深度为大约30mm，直径为大约210mm。

6.一种内燃发动机，包括：

发动机壳体，其具有形成在其中的气缸孔，气缸孔包括限定大约265mm气缸孔直径的内壁；

燃料喷射器，其至少部分位于气缸孔内并能够在气缸孔里直接喷射燃料；

活塞，其位于气缸孔内并能够从下死点位置运动到上死点位置，使得气缸孔内的流体压力增加十五倍以使直接喷射的燃料和空气自动点火；

活塞包括燃烧面，该燃烧面具有一起形成燃烧碗的凸出的内碗表面和凹入的外碗表面以及一起形成环形活塞边缘的外边缘表面和内边缘表面，环形活塞边缘绕燃烧碗周向延伸并限定延伸经过外边缘表面和内边缘表面的交叉点并垂直于在第一轴向主体端和第二轴向主体端之间延伸的纵向轴线取向的平面；

燃烧碗具有水平直径和距所述平面的竖直深度，使得碗直径与碗深度的比值为大约7:1，凹入的外碗表面限定使凹入的外碗表面与所述深度和直径相配合并且形成燃烧碗的无凹角轮廓的曲率半径；以及

内边缘表面和外边缘表面一起构成环形边缘的水平宽度，内边缘表面宽度与外边缘表面宽度的比从1:1到2:1，并且内边缘表面包括以9°到11°的倾角从平面竖直向下倾斜并且形成环形边缘的去除轮廓的斜面，外边缘表面从与内边缘表面的交叉点朝向外主体表面竖直向上倾斜。

7.如权利要求6所述的内燃发动机，其中，燃烧碗的直径为大约210mm，燃烧碗的深度为大约30mm，曲率半径为大约20mm；

其中内边缘表面宽度和外边缘表面宽度的比为1.5:1到1.8:1；

倾角为大约10°；以及

外边缘表面是平面的。

8.如权利要求6所述的内燃发动机，其中，

外边缘表面以比所述倾角更陡峭的第二角度向上倾斜。

9.一种操作内燃发动机的方法，包括如下步骤：

在发动机循环中转动内燃发动机的曲轴，使得与曲轴相连的活塞在具有大约265mm的气缸孔直径的气缸孔内在下死点位置和上死点位置之间运动；

将燃料直接喷射到气缸孔内，使得至少一些燃料是在活塞已在发动机循环中经过上死点位置之后喷射的；

通过曲轴的转动定位活塞，使得以9°到11°的倾角倾斜的活塞倾斜内边缘表面位于在活塞已经经过上死点位置之后喷射的燃料的喷射路径内，活塞包括燃烧碗和绕燃烧碗周向延伸的环形活塞边缘，环形活塞边缘包括所述内边缘表面和从与内边缘表面的交叉点朝向外主体表面竖直向上倾斜的外边缘表面；

至少部分经由倾斜内边缘表面上的冲击将在活塞已经经过上死点位置之后喷射的燃料引导至碗直径与碗深度的比为大约7:1的活塞燃烧碗内，使得喷射燃料通过活塞朝向气缸孔壁的偏移受到限制；以及

对气缸孔内包括喷射燃料和空气的混合物进行自动点火。