CN104350264A - 具有配置为减少颗粒排放物的活塞的内燃机及方法 - Google Patents

Abstract

内燃机(10)包括壳体(12)，该壳体(12)具有缸膛(14)，缸膛(14)限定260mm或更大的膛径(16)，耦接到所述壳体(12)的燃料喷射器(24)，以及可旋转地耦接到所述壳体的曲轴(28)。活塞(50)耦接到曲轴(28)，且是可移动的，以将缸膛(14)内的流体压力提高到自动点火压力，且包括在复合燃烧皿(66)内限定多个阀套(64)的燃烧面(62)。燃料喷射器(24)内的喷射孔(26)限定大于145°的喷射角(94)，且燃烧皿(66)具有从190mm到230mm的直径，这样喷入的燃料的燃烧产生1600kPa或更大的BMEP以及相对于每bkW·h的内燃机(10)的能量输出0.25克或更少的颗粒物质。

Description

具有配置为减少颗粒排放物的活塞的内燃机及方法

技术领域

本公开总体涉及在内燃机运行中产生减少的颗粒物质的方案，并且特别地涉及活塞中的复合燃烧皿的几何特征，对于每bkW·h的内燃机的能量输出，其在1600kPa或更多的BMEP下能够产生0.25克或更少的颗粒物质。

背景技术

在内燃机领域多种运行方案和部件的几何结构是公知的。工程师们数十年来致力于实验以不同方式运行燃料供给、排气、进气和其他发动机系统，以及以不同方式成形和均衡发动机部件以达到不同的目的。这样的实验背后的一个动机包括对减少发动机排气中的某些排放物和优化效率之间的常见竞争利益的平衡。内燃机通常燃烧空气和碳氢化合物燃料。燃料和空气的燃烧产生废气，其包括多种化合物和物质，例如烟灰、粉尘、未燃烧的碳氢化合物、水、二氧化碳和一氧化碳，以及各种有机物和无机物。

近年来，减少颗粒物质排放或“烟雾”的排放，已经在燃烧科学研究中受到特别的关注，且对于这些不良废气组分，各管辖区已经颁布或预期将颁布限制条款。不幸的是，减少颗粒物质排放经常带来效能特性上的损失，例如燃料效率和/或可获得的发动机速度和功率。如以上提到的，这些年来部件形状和发动机运行参数已经以几乎无数种方式发生了变化。一个在燃烧科学中广泛研究和实验的领域涉及尝试以以下方式成形一种活塞燃烧面，使得在没有过度损失效率的情况下减少某些废气排放物，包括颗粒物质排放物。

为了实现该目标而设计的一种活塞包括由活塞燃烧面限定的燃烧皿，活塞在被放置为使用状态时暴露于并限定出发动机燃烧室的一部分。人们认为燃烧皿以及皿的某些几何形状，可以在燃烧过程中影响气体和雾化液体燃料的流动和燃烧特性，使得燃烧产物的组成可以适应不同的目的。许多这样的燃烧皿设计旨在减少氮的氧化物(NOx)和颗粒物质中的一种或两种。一种已知的燃烧皿设计在效率和多种类型的排放物方面均得到优化，其被Easley等共同拥有的美国专利申请序列号13/088659所公开，现在为美国专利No.＿。

还有其他方案在平衡某些排放物的相对含量方面关注较少，更多地关注于减少NOx或减少颗粒物质，而不是两者都减少。这样的方案的益处在于其中对于一种类型的废气组分的管辖要求会相对更加严苛，或其中使用了一些减少或限制某些不良排放物的手段。尽管已有许多活塞燃烧皿的研究和商业设计，以及与废气排放物相关的其他因素，燃烧科学仍未被完全了解。对于燃烧科学中涉及燃烧皿形状和其他几何特征的情况更是如此。众所周知对燃烧皿几何形状的哪怕是较小的修饰都可以对燃烧产物的类型和相对比例产生显著的影响。由于对此缺乏充分的了解，本领域对于如何实现任何特定目的仅提供了相对很少的指引。虽然工程师已经发现了许多不同的变型，他们知道这些变型将在排放物和/或效率方面具有一些影响，但是这些变型的分类、它们的交叉耦合，以及其他因素并不经常得到满意的和可预料的结果。此外，甚至其中发现了适合于一种发动机系统的设计，该设计不能成功地扩展到相对较大的或相对较小的发动机系统，或者适用于发动机运行参数的特定组合之外。研发一种合适的活塞配置，其将在相当严格定义的发动机运行参数的集合内实现一定的目标，这仍然是难以实现的，往往需要多年的研究和发展，其包括全面深入的应用、测试甚至现场服务分析。

发明内容

在一个方面，一种运行内燃机的方法包括通过将缸膛内的活塞向着上止点位置移动，将内燃机的缸膛内的流体压力提高到自动点火压力，所述缸膛具有260mm或更大的膛径，并且所述活塞具有等于或大于膛径的冲程距离。所述方法进一步包括在提高流体压力过程中推进活塞的燃烧面穿过缸膛，燃烧面限定了多个阀套，和皿径为190mm到230mm的复合燃烧皿，并且当流体压力处于或大于自动点火压力时，以大于145°的喷射角将燃料直接喷射入缸膛内。所述方法进一步包括燃烧喷射入的燃料和空气，使得通过1600kPa或更大的BMEP活塞向着气缸内的下止点位置推进，对于每bkW·h的内燃机的能量输出，燃烧产生0.25克或更少的颗粒物质。

在另一方面，一种内燃机包括壳体，壳体具有形成于其内部的缸膛，且限定了260mm或更大的膛径，耦接到所述壳体的燃料喷射器，其限定了位于缸膛内部的多个喷射孔以将燃料直接喷射入缸膛，以及可旋转地耦接到所述壳体的曲轴。所述发动机进一步包括耦接到曲轴的活塞，活塞在缸膛内可移动从下止点位置到上止点位置等于或大于膛径的冲程距离，以将缸膛内的流体压力提高到自动点火压力。所述活塞进一步包括外圆周面，其限定了中心轴，并且在活塞的第一轴端和第二轴端之间延伸，第二轴端具有燃烧面，燃烧面限定了多个阀套和复合燃烧皿。多个喷射孔限定了大于145°的喷射角，并且复合燃烧皿的皿径为190mm到230mm，这样当喷入燃料且当流体压力处于或高于自动点火压力时，缸膛内喷射入的燃料和空气的混合物燃烧以通过1600kPa或更大的BMEP将活塞推向下止点位置，且对于每bkW·h的内燃机的能量输出，燃烧产生0.25克或更少的颗粒物质。

在另一方面，提供了一种活塞顶，其配置为与活塞裙耦接以形成活塞，所述活塞在直喷式内燃机的缸膛内是可定位的，缸膛的膛径为260mm或更大，并且其在缸膛内的可移动的从下止点位置到上止点位置的冲程距离等于或大于膛径，以将缸膛内的流体压力提高到自动点火压力。所述活塞顶包括主体，主体具有外圆周面，外圆周面限定了中心轴，并且在第一轴主体端和第二轴主体端之间延伸，所述主体进一步包括轴向主体长度和大于轴向主体长度的主体直径。所述主体进一步包括在第一轴主体端形成的冷却空间，螺栓孔，其从冷却空间轴向地向内延伸，用来容纳螺栓以将活塞裙附接到活塞顶，以及在第二轴主体端上限定了多个阀套和复合燃烧皿的燃烧面。燃烧面在燃烧皿内进一步形成中心凸锥，和凹曲线壁，其从中心凸锥过渡到平行于中心轴定向且邻接复合燃烧皿的唇缘的直圆柱壁。复合燃烧皿具有190mm到230mm的皿径，且皿径等于主体直径的三分之二或更大，并且轴向皿深度等于皿径的十分之一或更大，这样当以大于145°的喷射角将燃料喷入缸膛时且当流体压力处于或大于自动点火压力时，缸膛内的燃料和空气的混合物燃烧，以通过1600kPa或更大的BMEP将活塞向着下止点位置推进，并且对于每bkW·h的内燃机的能量输出，燃烧产生0.25克或更少的颗粒物质。

附图说明

图1为根据一个实施例的内燃机的局部剖面示意图；

图2为适用于图1的发动机的活塞的等距视图；

图3为图1的发动机的一部分的局部剖面示意图；

图4为不同活塞设计的颗粒物质产生的相互作用图；和

图5为两种不同活塞设计的燃料消耗的相互作用图。

具体实施方式

根据图1，显示了根据一个实施例的内燃机10，且其具有壳体12，壳体12内部形成有缸膛14。在该所示的实施例中，缸膛14形成在气缸套18内，气缸套18位于气缸体22内部，且以传统方式与头部20耦接。发动机10可以包括压燃式柴油发动机，压燃式柴油发动机具有耦接到壳体12且配置为将燃料例如柴油馏分燃料直接喷射入缸膛14内的燃料喷射器24。燃料喷射器24可以与包括泵的加压燃料源25流体连接。在某些实施例中，发动机10可以包括多个缸膛，且在这样的实施例中燃料源25还可以包括共用轨道，其原因对于本领域技术人员来说是显而易见的。燃料喷射器24进一步限定了位于缸膛14内的多个喷射孔26，并且喷射孔26的数目为从8到12，在实际的实施方案中为10。

发动机10进一步包括以传统方式可旋转地耦接到壳体12的曲轴28，和通常通过齿轮系(未示出)可旋转地耦接到曲轴28的凸轮轴30。凸轮轴30可以包括多个凸轮，例如第一凸轮32和第二凸轮34。凸轮32可以接触气门挺杆36进行旋转，气门挺杆36耦接到配置为打开或关闭进气通道44的第一或进气阀42，进气通道44形成在头部12内，以将进入的空气传送入缸膛14。推杆38通过摇臂组件40耦接具有阀42的气门挺杆36。凸轮34可以接触第二气门挺杆、推杆和摇臂组件进行旋转，第二气门挺杆、推杆和摇臂组件隐藏在图1中，且耦接到第二或排气阀，其配置为打开或关闭形成于头部12内的排气通道48，以将废气排出缸膛14。进气凸轮32和排气凸轮34可以被成形，使得当在发动机10的进气冲程中活塞50开始从缸膛14内的上止点位置向下止点位置移动时，进气阀42和排气阀46都是打开的，它的意义在以下描述中将变得显而易见。

在实际的实施方案中，发动机10可以是中型的柴油发动机，其中缸膛14的膛径16为260毫米(mm)或更大，可能超过260mm几十毫米。这里注明的尺寸和比例，可以从精确规格有所变化，并且因此在上下文中应理解为常规舍入。因此，根据该通用理解，255mm的膛径可以常规地舍入为260mm。活塞50耦接到曲轴28，且在缸膛14内可移动从下止点位置到上止点位置等于或大于膛径16的冲程距离52，以将缸膛14内的流体压力提高到自动点火压力。如将在下面的描述中变得显而易见的，活塞50可以被独特地配置为使得缸膛14内的喷入的燃料和空气能够在处于或高于自动点火压力下燃烧，这样通过在发动机10的至少某些运行条件下的燃烧产生了相对少量的颗粒物质。为此，活塞50包括外圆周面54，外圆周面54限定了中心轴56，并且在活塞50的第一轴端58和第二轴端60之间延伸，第二轴端60具有燃烧面62，燃烧面62限定了多个阀套64和复合燃烧皿66。在实际的实施方案中，活塞50包括顶51，顶51具有主体55，主体55通过位于主体55内部的活塞销68耦接到裙53上，且具有活塞销轴69，活塞50通过活塞销轴69与曲轴28耦接。

现在还参考图2，显示了顶51的示意图，其更具体地描绘了顶51的附加特征。主体55可以具有轴向主体长度86，和大于轴向主体长度86的主体直径88。在所示的实施例中，燃烧面62在燃烧皿66内形成了凸锥70。燃烧面62进一步形成了邻接外圆周面54且在其内部形成有阀套64的轮缘82。轮缘82还可以包括与阀套64交替排列的多个高台84。在实际的实施方案中，可以包括一共4个阀套64，如本文中进一步描述的，与两个排气阀和两个进气阀相对应，以及一共4个高台84。高台84可以限定与中心轴56垂直定向的共用平面。

现在还参考图3，显示了穿过发动机10的截面图，显示了发动机10和活塞50的其他特征，特别是燃烧皿66的几何特征。如以上提到的，进气凸轮32和排气凸轮34可以成形，这样当在进气冲程中活塞开始从上止点位置向下止点位置移动时，进气阀42和排气阀46都是打开的。在图3中，活塞50显示为其可以出现在或接近上止点位置，并且正当开始向下止点位置移动时或恰在其之前。应该指出的是，进气阀42和排气阀46都是打开的，这样进气通道44和排气通道48与缸膛14流体连通。如以上讨论的，发动机10可以是中型柴油发动机，在发电、海上油气生产和机车推进中具有示例性的中型动力输出应用。这种通用尺寸等级的发动机经常具有工作周期，其包括在大于80％的最大额定负载和甚至大于90％的最大额定负载下许多小时的运行。由于这个和其他原因，许多情况下相比于较小的发动机和那些具有更多的动态工作周期(其中预期会周期性地出现较低的负载和空转运行)的发动机，冷却这样的发动机会相对具有更多挑战。配置凸轮32和凸轮34，这样介于进气通道44和排气通道48两者和缸膛14之间的流体连通在开始将活塞50向着下止点位置移动之后的时间发生，使得一些进入的空气从进气通道44传送通过缸膛14并且进入排气通道48，且没有被燃烧。在某些实施例中，大约5％的体积通量的通过发动机10的气体可以包括以这种一般方式传输的未燃烧的进入空气。其他理解这种原理的方式是当排气阀46打开以从缸膛14排出包括颗粒物质和其他废气组分的废气，活塞50已经向着上止点位置移动。并且，不是正当或在活塞50到达上止点位置之前，而是当排出废气的排气冲程结束时，活塞50达到且通过上止点位置，排气阀46可以保持打开并且被容纳在其中一个阀套64中。当排气阀46是打开的，虽然向着关闭位置移动，进气阀42可以是打开的以传输进入的空气通过缸膛14，如本文描述的。在开始将进入的空气传输进入缸膛14之后，排气阀46将接着被关闭，这样进入的空气通过缸膛14进入排气通道48。还可以从图3中注意到，如图1中的，所述头部20可以设计为每个进气阀42和排气阀46可以在它们的关闭位置从发动机头部20的面对缸膛14的表面形成凹陷，例如5mm。

如以上提到的，燃料喷射器24可以连接加压燃料源，例如单体泵或共用轨道，并且可以额外地或可选地包括燃料加压柱塞，使得加压的燃料被喷射进入缸膛14。与已知的方案相反，其中尝试通过以很高的压力喷射燃料来部分地减少某些排放物，在发动机10中燃料喷射可以以相对低的压力发生，同时仍然得到可接受的排放物。特别地，自燃料喷射器24的燃料喷射可以在小于150兆帕斯卡(MPa)的喷射压力下发生，并且可以进一步在140MPa或更低的喷射压力下发生。在缸膛14内的流体压力升高到自动点火压力过程中，喷射时间的开始可以在活塞50到达上止点位置之前发生。在实际的实施方案中，喷射时间的开始可以在上止点前的曲柄角为10°或更大时发生。喷射孔26例如以单行形式排列，可以限定大于145°的喷射角94，且在一个实际的实施方案中喷射角等于155°。

如以上提到的，燃烧皿66的某些几何特征被认为是利于本文描述的发动机10的需要的运行和排放物分布。为了这个目的，燃烧皿66可以具有190mm到230mm的皿径96，且皿径96等于主体直径88的三分之二或更多。在发动机10中，喷射角94为大于145°且皿径96为190mm到230mm，当缸膛14内的流体压力处于或高于自动点火压力，这利于燃料的喷射，这样缸膛14内的喷入的燃料和空气的混合物燃烧以通过1600千帕斯卡(kPa)或更大的平均有效制动压力(BMEP)推动活塞50向着下止点位置前进，且对于每制动千瓦-小时(bkW·h)的发动机10的能量输出来说，燃烧产生0.25克颗粒物质。喷入的燃料和空气的燃烧可以发生以产生这样的燃烧物/排放物分布，其中曲轴28以柴油机的中速旋转，其为本领域技术人员能够理解的900rpm到1000rpm，但是本发明并不仅限于此。至少在某些情况下，在本文设想的发动机中，通过1800kPa或更大的BMEP，可以将活塞向着其下止点位置推进，且这样对于每bkW·h的内燃机的能量输出来说，燃烧产生0.1克颗粒物质。

活塞50，特别是活塞顶51的其他特征，支撑并增强发动机10以本文描述的方式运行的能力。为了此目的，从图3中可以注意到，燃烧面62形成了凹曲线壁72，凹曲线壁72从凸锥70过渡到邻接燃烧皿66的唇缘76的直圆柱壁74，直壁74平行于中心轴56定向。壁74可以进一步具有介于5mm和10mm之间的轴向高度78，并且在实际的实施方案中轴向高度78等于7mm。壁72可以限定介于15mm和25mm之间的凹曲率半径102，且在实际的实施方案中凹曲率半径102等于22mm。唇缘76可以限定大于2mm的凸曲率半径80。曲率半径80可以介于2mm和4mm之间，且在实际的实施方案中等于3mm。可以回顾，高台84限定了共用平面，在图3中共用平面平行于头部20的面对且暴露到缸膛14的表面。燃烧皿66可以具有25mm或更大的轴向皿深度100，该轴向皿深度100从主体平面延伸到燃烧皿66的底部，图3中底部为处于轴向最低位置的皿66的部分。皿深度100可以等于皿径96的十分之一或更大，且在实际的实施方案中可以等于32mm。

中心凸锥70的某些几何特征也被认为有助于在本文所描述的方式下可靠地运行发动机10。在实际的实施方案中，锥70限定了小于喷射角94的锥角104，且在任意情况下通常小于145°，并且具有顶部108，其轴向上位于介于高台84限定的平面和阀套64的底部之间，阀套64位于自主体平面的轴向套深度98处。在一个实施例中，顶部108可以限定等于20mm的顶部半径109。在实际的实施方案中，轴向套深度98可以为5mm或更大。顶部108还可以位于自高台84限定的平面的锥深度112处，锥深度112为4mm或更少，且在实际的实施方案中等于3.25mm。套半径106也显示为在其中一个套64和高台84之间过渡。在实际的实施方案中套半径106可以为5mm或更大。

在图3中，活塞50显示为没有裙53，以展示额外的特征，也就是说，没有冷却空间90，其在发动机10中工作期间容纳冷却液例如发动机润滑油的喷雾。类似于本文所述整体活塞50的第一轴向端部和第二轴向端部，形成活塞顶51的主体55可以理解为具有第一轴向主体端部和第二轴向主体端部，并且在所述第一轴向主体端部形成冷却空间90。螺栓孔92从冷却空间90轴向地向内延伸以容纳螺栓(未示出)，以将活塞裙53附接到活塞顶51。燃烧面62将被理解为在第二轴向主体端部上形成。在图3中也显示为活塞销轴69。在活塞顶51内提供阀套64使得活塞顶51能够比通用等级发动机中使用的某些较早已知的活塞设计相对更高，其中发动机10为示例。特别地，通过为阀42和阀46设置间隙，在活塞50的上止点位置，燃烧面62可以与头部20更接近，可能另外被不易燃烧的气体占据的裂缝体积减少。在实际的实施方案中，从轴69到高台84限定的平面之间的轴向高度110可以从93mm到97mm。

工业实用性

如以上讨论的，存在调整活塞和其它内燃发动机部件的几何特性的多种方案，以实现特定目的。成功减少某些排放物到达或低于目标水平往往伴随其他排放物的产生或例如发动机的效率和使用寿命等因素的折衷。由此，基于适用于一种发动机或一套运行条件的活塞的几何形状的排放物减少方案，当用于不同种类的发动机或其中某些运行参数从狭窄限定的曲线图中变化时，其可能无法工作或不可行。在具有相对较大的膛的情况下，中等动力输出柴油发动机，其中发动机10为示例，某些已知的用于较小膛发动机的排放物问题的解决方案是不可用的。如上面提到的，用于发电、机车和船舶应用的柴油发动机可以具有非常苛刻的工作循环，在高于80％的最大额定负载或甚至更高的负载条件下运行数百小时。这样的使用特性是与例如用于许多货车和建筑机器的路上或非路上用发动机明显不同的。因为对于该通用等级的服务引擎，它通常还相当昂贵，特别希望设计的组件可以在承受苛刻的使用条件下有非常长的使用寿命，例如10000小时或者更长。

通过示例的方式，用来产生相对低的颗粒物的某些已知的燃烧皿设计使用了由尖锐的燃烧唇缘包围的凹陷的皿。当其在它的特定的工作环境下成功，这样的燃烧皿设计不太可能在发动机10或类似发动机计划使用的工作条件下生存。这至少会被预期，因为在这种发动机的长时间高负荷运行中，可以预计会存在发生燃烧皿唇缘的尖锐边缘的龟裂并潜在地导致灾难性故障的风险。因此，本发明设计了相对不尖锐的切成圆角的唇缘，如本文所述的。由于类似的原因，活塞50的其他表面和界面可以形成相对较大的半径。如另一示例，某些发动机系统设计为具有很高的燃料喷射压力，甚至达到300MPa，至少部分地为了确保尽可能地完成喷入的燃料的燃烧的目的，并且在某些情况下减少了颗粒物质排放物。虽然能够达到这样的喷射压力的燃料系统在理论上可以用于本文设计的发动机类型，制造和维护这样的系统的费用与较低喷射压力的系统相比是很昂贵的，且因此这里描述的产品，其能够在较低喷射压力下减少颗粒物质排放物，是有利的。

现在参考图4，这里显示了相互作用图，其显示了基于单缸设置中多个活塞的试验间运行的平均实验数据，且在本文讨论的运行条件下。图4显示了在图的左下象限的实验性地改变的皿径对于颗粒物质排放的影响，和在图的右上象限的阀套的存在与否对于颗粒物质排放的影响。第一曲线114显示了燃烧皿径从188mm到210mm间改变的影响，其中没有使用阀套。第二曲线116显示了皿径从188mm到210mm间改变的影响，其中使用了阀套。在曲线114和曲线116中反映的数据显示，除了别的之外，仅阀套的存在就对减少颗粒物质排放物起到了显著作用。另一曲线118，在右上象限，表示阀套的存在与否的影响，其中活塞中的燃烧皿径为188mm，而另一曲线120表示皿径为210mm时阀套的存在与否的影响。曲线118和曲线120反映的数据，与曲线114和曲线116相结合，可以理解为表明了皿径越大可以进一步得到低的颗粒排放物，并且特别是与阀套结合，使得颗粒排放物达到甚至低于目标水平0.25克PM/bkW·h。

如以上进一步提到的，某些已知的方案为了排放物的减少/控制而损失了效率。然而本公开，在没有造成这样的损失的情况下获得了可接受的效率。图5是另一相互作用图，其显示了与图4中类似地获得的平均实验数据，并且包括第一曲线122和第二曲线124，反映了皿径为从188mm到210mm的活塞的燃料效率数据，分别为没有套和具有套。另一曲线126和又一曲线128反映了皿径为188mm的活塞对比皿径为210mm的活塞，和具有阀套对比没有阀套。在某些实施例中，本公开设计了燃烧燃料和空气，这样相对于每bkW·h的内燃机的能量输出，燃烧产生的制动燃油消耗率(BSFC)为250克燃油或更少，并且如图5反映的可能更小。

本说明书仅用于解释目的，并且不应被认为以任何形式限制了本公开的范围。因此，本领域的技术人员将会理解，在不背离本公开的全部和适当的范围和精神的情况下可对本文公开的实施例做出各种修改。通过对附图和所附的权利要求的审查，其他方面、特征和优点将会显而易见。

Claims (10)

1.一种运行内燃机(10)的方法，包括如下步骤：

通过将缸膛(14)内的活塞(50)向上止点位置移动，将内燃机(10)的缸膛(14)内的流体压力提高到自动点火压力，所述缸膛(14)具有260mm或更大的膛径(16)，且所述活塞(50)具有等于或大于所述膛径(16)的冲程距离(52)；

在所述提高步骤中，推进活塞(50)的燃烧面(62)穿过缸膛(14)，所述燃烧面(62)限定多个阀套(64)和皿径(96)为190mm到230mm的复合燃烧皿(66)；

当流体压力处于或大于自动点火压力时，将燃料以大于145°的喷射角(94)直接喷射入缸膛(14)内；

燃烧喷射的燃料和空气，使得活塞(50)通过1600kPa或更大的BMEP向着气缸(14)内的下止点位置推进，且对于每bkW·h的内燃机(10)的能量输出，燃烧产生0.25克或更少的颗粒物质。

2.如权利要求1所述的方法，其中：

燃烧步骤进一步包括燃烧燃料和空气，使得对于每bkW·h的内燃机(10)的能量输出，燃烧产生的BSFC为250克燃料或更少，并且所述方法进一步包括响应燃烧步骤旋转与活塞(50)耦接的曲轴(28)的步骤，旋转的平均速度为从900RPM到1000RPM；

所述燃烧面(62)在燃烧皿(66)内形成锥(70)，所述燃烧皿(66)限定大的凸曲率半径，且所述燃烧面(62)形成曲线壁(72)，曲线壁(72)限定凹曲率半径，在燃烧皿(66)内从锥(70)过渡到平行于活塞(50)的中心轴线(56)定向的直壁(74)，且邻接限定小的凸曲率半径的燃烧皿(66)的唇缘(76)。

3.如权利要求2所述的方法，其中喷射步骤进一步包括将燃料从燃料喷射器(24)的共8到12个喷射孔(26)以小于150MPa的喷射压力喷射，且喷射时间的开始发生在提高步骤过程中活塞(50)到达上止点位置之前；

所述方法进一步包括如下步骤：

当自缸膛(14)的排气阀(46)打开时，通过将活塞(50)向着上止点位置移动，从缸膛(14)排出含有颗粒物质的废气，并且排出步骤结束时，活塞到达上止点位置时将排气阀(46)收入多个阀套(64)中的一个中；

在排出步骤之后，且当至缸膛(14)的进气阀(42)打开时，通过向着下止点位置移动活塞(50)将进入的空气传送入缸膛(14)；以及

通过在传送步骤开始之后关闭排气阀(46)来冷却内燃机(10)，使得进入的空气穿过缸膛(14)进入排气通道(48)。

4.一种内燃机(10)，包括：

壳体(12)，其具有形成在其中并限定260mm或更大的膛径(16)的缸膛(14)；

燃料喷射器(24)，其耦接到所述壳体(12)并限定位于缸膛(14)内的多个喷射孔(26)用来将燃料直接喷射进缸膛(14)；

曲轴(28)，其可旋转地耦接到所述壳体(12)；

活塞(50)，其耦接到所述曲轴(28)且能够在缸膛(14)内从下止点位置到上止点位置移动等于或大于膛径(16)的冲程距离(52)，以将缸膛(14)内的流体压力提高到自动点火压力；

所述活塞(50)包括限定中心轴线(56)的外圆周面(54)，且在活塞(50)的第一轴端(58)和第二轴端(60)之间延伸，该第二轴端(60)具有燃烧面(62)，该燃烧面(62)限定多个阀套(64)和复合燃烧皿(66)；以及

所述多个喷射孔(26)限定大于145°的喷射角(94)，且复合燃烧皿(66)具有从190mm到230mm的皿径(96)，使得当喷射燃料和当流体压力达到或超过自动点火压力时，缸膛(14)内的喷射燃料和空气的混合物燃烧以通过1600kPa或更大的BMEP将活塞(50)向着下止点位置推进，对于每bkW·h的内燃机(10)的能量输出，燃烧产生0.25克或更少的颗粒物质。

5.如权利要求4所述的内燃机(10)，其中：

所述燃烧面(62)在燃烧皿(66)内形成凸锥(70)，和从凸锥(70)向着直圆柱壁(74)过渡的凹曲线壁(72)，所述直圆柱壁(74)邻接燃烧皿(66)的唇缘(76)且平行于中心轴线(56)定向；

直壁(74)具有在5mm和10mm之间的轴向高度(78)，且唇缘(76)限定大于2mm的凸曲率半径；

燃烧面(62)形成轮缘(82)，该轮缘(82)邻接外圆周面(54)且具有形成在轮缘(82)中的多个阀套(64)，并且其中所述轮缘(82)包括多个高台(84)，该多个高台(84)与阀套(64)交替排列，且每个阀套(64)的轴向深度为5mm或更大。

6.如权利要求5所述的内燃机(10)，其中多个高台(84)限定垂直于并相交于中心轴线(56)的平面，且燃烧皿(66)的皿深度为25mm或更大，从所述平面延伸到燃烧皿(66)的底部；

所述内燃机(66)进一步包括气缸(14)的进气阀(42)和排气阀(46)，和与曲轴(28)耦接的凸轮轴(30)，该凸轮轴(30)具有进气凸轮(32)和排气凸轮(34)，该进气凸轮(32)和该排气凸轮(34)分别耦接到进气阀(42)和排气阀(46)以控制它们的打开和关闭，并且其中进气凸轮(32)和排气凸轮(34)被成形，使得当在内燃机(10)的进气冲程中活塞(50)开始从上止点位置向下止点位置移动时，进气阀(42)和排气阀(46)都是打开的。

7.一种活塞顶(51)，其配置为与活塞裙(53)耦接以形成活塞(50)，所述活塞(50)能够定位在直喷式内燃机(10)的缸膛(14)内，缸膛的膛径(16)为260mm或更大，并且活塞能够在缸膛(14)内从下止点位置到上止点位置移动的冲程距离(52)等于或大于膛径(16)，以将缸膛(14)内的流体压力提高到自动点火压力，所述活塞顶(51)包括：

主体(55)，其包括限定中心轴线(56)的外圆周面(54)，并且在第一轴主体端(58)和第二轴主体端(60)之间延伸，所述主体(55)进一步具有轴向主体长度(86)和大于所述轴向主体长度(86)的主体直径(88)；

所述主体(55)进一步包括在第一轴主体端(58)中形成的冷却空间(90)、从冷却空间(90)轴向地向内延伸用来容纳螺栓以将活塞裙(53)附接到活塞顶(51)的螺栓孔(92)以及在第二轴主体端(60)上限定多个阀套(64)和复合燃烧皿(66)的燃烧面(62)；

所述燃烧面(62)在复合燃烧皿(66)内进一步形成中心凸锥(70)，和凹曲线壁(72)，其从中心凸锥(70)过渡到平行于中心轴线(56)定向的直圆柱壁(74)且邻接复合燃烧皿(66)的凸唇缘(76)；以及

所述复合燃烧皿(66)具有从190mm到230mm的皿径(96)，且皿径等于主体直径(88)的三分之二或更大，并且轴向皿深度(100)等于皿径(96)的十分之一或更大，使得当以大于145°的喷射角(94)将燃料喷入缸膛(14)时且当流体压力处于或大于自动点火压力时，缸膛(14)内的燃料和空气的混合物燃烧，以通过1600kPa或更大的BMEP将活塞(50)向着下止点位置推进，并且对于每bkW·h的内燃机(10)的能量输出，燃烧产生0.25克或更少的颗粒物质。

8.如权利要求7所述的活塞顶(51)，其中所述燃烧面(62)进一步形成轮缘(82)，该轮缘(82)邻接外圆周面(54)且具有在该轮缘(82)中形成的多个阀套(64)，并且其中多个阀套(64)的总数为4个，且轮缘(82)进一步包括总数为4个的高台(84)，该高台(84)与阀套(64)交替排列且限定垂直于中心轴线(56)定向的共用平面。

9.如权利要求8所述的活塞顶(51)，其中：

多个阀套(64)的每一个具有5mm或更大的轴向套深度(98)，并且燃烧皿(66)具有25mm或更大的轴向皿深度(100)；以及

直圆柱壁(74)具有在5mm和10mm之间的轴向高度(78)，凹曲线壁(72)限定在15mm和25mm之间的凹曲率半径，且凸唇缘限定在2mm和4mm之间的凸曲率半径。

10.如权利要求9所述的活塞顶(51)，其中皿径(96)为210mm，轴向皿深度(100)为32mm，直壁的轴向高度(78)为7mm，凹曲率半径(80)为22mm，且凸曲率半径(80)为3mm。