CN105209739B - 具有燃烧碗形状以平衡燃烧效率和排放性质的活塞 - Google Patents

具有燃烧碗形状以平衡燃烧效率和排放性质的活塞 Download PDF

Info

Publication number
CN105209739B
CN105209739B CN201480027262.5A CN201480027262A CN105209739B CN 105209739 B CN105209739 B CN 105209739B CN 201480027262 A CN201480027262 A CN 201480027262A CN 105209739 B CN105209739 B CN 105209739B
Authority
CN
China
Prior art keywords
bowl
piston
combustion
edge
compound
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201480027262.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105209739A (zh
Inventor
A·考尔施
D·A·皮尔庞特
D·朗
J·A·小索巴特施
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Caterpillar Inc
Original Assignee
Caterpillar Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Caterpillar Inc filed Critical Caterpillar Inc
Publication of CN105209739A publication Critical patent/CN105209739A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105209739B publication Critical patent/CN105209739B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0672—Omega-piston bowl, i.e. the combustion space having a central projection pointing towards the cylinder head and the surrounding wall being inclined towards the cylinder center axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0678—Unconventional, complex or non-rotationally symmetrical shapes of the combustion space, e.g. flower like, having special shapes related to the orientation of the fuel spray jets
    • F02B23/0693—Unconventional, complex or non-rotationally symmetrical shapes of the combustion space, e.g. flower like, having special shapes related to the orientation of the fuel spray jets the combustion space consisting of step-wise widened multiple zones of different depth
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D21/00—Controlling engines characterised by their being supplied with non-airborne oxygen or other non-fuel gas
    • F02D21/06—Controlling engines characterised by their being supplied with non-airborne oxygen or other non-fuel gas peculiar to engines having other non-fuel gas added to combustion air
    • F02D21/08—Controlling engines characterised by their being supplied with non-airborne oxygen or other non-fuel gas peculiar to engines having other non-fuel gas added to combustion air the other gas being the exhaust gas of engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B2275/00—Other engines, components or details, not provided for in other groups of this subclass
    • F02B2275/14—Direct injection into combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0618—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston having in-cylinder means to influence the charge motion
    • F02B23/0621—Squish flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0618—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston having in-cylinder means to influence the charge motion
    • F02B23/0624—Swirl flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0645—Details related to the fuel injector or the fuel spray
    • F02B23/0669—Details related to the fuel injector or the fuel spray having multiple fuel spray jets per injector nozzle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/22—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • F02M26/23—Layout, e.g. schematics
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

一种用于压燃式内燃机(1010)的活塞(718、818、918、1018)包括具有限定燃烧碗(730、830、930、1030)的燃烧面(728、828、928、1028)的活塞体(720、820、920、1020)，且该燃烧面(728、828、928、1028)包括复合碗表面和复合边缘表面。所述燃烧面(728、828、928、1028)被成型为平衡所述活塞(718、818、918、1018)的燃烧效率性能与所述活塞(718、818、918、1018)的排放性能。所述燃烧碗(730、830、930、1030)的直径与气缸筒钻孔的直径的比是0.68至0.74。所述活塞(718、818、918、1018)的其他尺寸和比例特征支持在操作期间产生低烟雾和NOx。

Description

具有燃烧碗形状以平衡燃烧效率和排放性质的活塞
相关申请的交叉引用
本申请案是2011年4月18日提交的美国专利申请案第13088659号的继续部分，其请求于2010年4月20日提交的美国临时专利申请案第61/326,161号的申请日的权益。
技术领域
本发明总体涉及用于压燃式内燃机中的类型的活塞，并且更具体地涉及一种具有弧形内边缘表面和在弧形内边缘表面与燃烧碗之间的突然过渡的活塞燃烧面。
背景技术
多种操作策略和组件几何结构在内燃机领域是已知的。工程师用了数十年试验不同的方法来操作燃料加注、排气、进气和其他发动机系统，以及不同的方法来设置发动机组件的形状和比例。这种试验背后的一个动机已平衡了减少发动机排气口某些排放的通常的竞争顾虑，以及优化效率。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来自内燃机的排气，其可包括各种化合物和物质，例如烟灰、粉尘、未燃烧的碳氢化合物、水、二氧化碳、一氧化碳和各种其他有机和无机物质。
近年来，减少氮氧化物(统称为“NOx”)的排放和减少一般包括烟灰和粉尘的颗粒物已经成为了内燃机研究的特别关注点。遗憾的是，减少这些不需要的排气成分通常会以降低效率性质(例如燃料效率和/或可达到的发动机速度或功率)为代价。如上所述，发动机的组件形状和操作参数这些年来以几乎无数的方式变化。特别关注的一个领域涉及尝试将活塞燃烧面的成型为使得某种排气排放减少，而不会降低效率。
一种涉及减少排放而不会过分牺牲效率的常见活塞设计包括由活塞的燃烧面限定的燃烧碗，所述燃烧面暴露于且限定发动机燃烧室的一部分。据信，在燃烧过程中，燃烧碗可能影响气体和雾化液体燃料的流动和燃烧性质，使得燃烧产物的组成可针对不同目的进行调整。如上所述，通常期望的是，减少NOx和颗粒物，而不过分影响燃烧效率。
目前，尽管针对活塞燃烧碗进行了大量研究和商业设计，但是在燃烧过程中涉及碗形状或形状组合的燃烧学还未被充分了解。众所周知的是，即使对于燃烧碗几何结构做出的相对小的修改可对燃烧产物的类型和相对比例产生显著影响。由于缺少足够了解，本领域对于如何实现任何特定目标集合提供相对较少指导。工程师已经发现很多不同变量，其知道这些变量将对排放和/或效率产生一些影响，但是这些变量以及其他因素的分组却通常不会产生令人满意且可预测的结果。开发一种合适的设计通常需要数年的研究和开发，包括充分应用、测试和领域分析。
发明内容
在一个方面，提供了一种活塞，其用于在具有15∶1至16∶1的压缩比的直接喷射压燃式内燃机中平衡燃烧效率与NOx产生和烟雾产生，其中所述发动机具有1或小于1的涡旋比，燃烧碗直径与气缸孔直径的比为0.68到0.74，并且其中燃料喷射喷雾角大于由燃烧碗内的活塞的圆锥形突出部限定的锥角。活塞包括活塞体，其具有限定纵向活塞轴线的外圆柱形表面；轴向活塞端，其包括限定复合燃烧碗的燃烧面；以及位于轴向活塞端且从燃烧碗径向向外延伸至外圆柱形表面的复合边缘。复合燃烧碗包括位于圆锥形突出部上的凸状内碗表面和凹状外碗表面，且所述复合边缘包括邻接外圆柱形表面的平坦外边缘表面和邻接复合燃烧碗的凸状内边缘表面。锥角等于约135°或小于135°，凹状外碗表面限定13mm至16mm的第一曲率半径，且凸状内碗表面与凹状外碗表面连续过渡。凸状内边缘表面与凹状外碗表面在复合燃烧碗的边缘处突然过渡，且凸状内边缘表面限定40mm至70mm的第二曲率半径，从而碗边缘从由平坦外边缘表面限定的平面轴向凹陷，使得当活塞处于发动机中的上止点中心位置时，气体从裂缝被挤压，所述裂缝具有向外缩小的锥形且部分地由气缸盖限定且部分由复合边缘限定。
在另一个方面，提供一种活塞，其用于在直接喷射压燃式内燃机中平衡燃烧效率与NOx产生和烟雾产生。活塞包括活塞体，其具有限定纵向活塞轴线的外圆柱形表面；轴向活塞端，其包括限定复合燃烧碗的燃烧面；以及复合边缘，其位于轴向活塞端上且从燃烧碗径向向外延伸至外圆柱形表面。复合燃烧碗包括凸状内碗表面，其位于圆锥形突出部上并限定锥角，以及凹状外碗表面，其从内碗表面径向向外延伸并限定第一曲率半径。复合边缘包括平坦外边缘表面，其邻接外圆柱形表面，以及凸状内边缘表面，其邻接复合燃烧碗并限定第二曲率半径。凸状内碗表面与凹状外碗表面连续过渡，且凸状内边缘表面与凹状外碗表面在复合燃烧碗的边缘处突然过渡。复合燃烧碗限定碗直径，且活塞体限定活塞体直径，其大于碗直径的约33％。锥角为约135°或小于135°，第一曲率半径为13mm至16mm，且第二曲率半径为40mm至70mm。
在另一个方面，直接喷射压燃式内燃机包括发动机壳体，其限定具有138mm至146mm的气缸孔直径的气缸孔且包括均与气缸孔流体连通的进气通道和排气通道，以及与发动机壳体耦合的气缸盖。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孔中，所述燃料喷射器具有限定喷射角的多个喷射孔。发动机还包括活塞，其用于在气缸中燃烧燃料和空气的混合物期间平衡燃烧效率与NOx产生和烟雾产生。活塞包括活塞体，其具有限定纵向活塞轴线的外圆柱形表面，及轴向活塞端，其包括限定复合燃烧碗的燃烧面，且其中燃烧碗的直径与气缸孔的直径的比为0.68至0.74。活塞进一步包括在燃烧碗内的圆锥形突出部，和在径向向外方向上从燃烧碗延伸至外圆柱形表面的复合边缘。燃烧碗包括位于圆锥形突出部上的凸状内碗表面和凹状外碗表面，且复合边缘包括邻接外圆柱形表面的平坦外边缘表面和邻接燃烧碗的凸状内边缘表面。圆锥形突出部限定锥角，所述锥角小于喷射角且约为135°或小于135°，凹状外碗表面限定13mm至16mm的第一曲率半径，且凸状内碗表面与凹状外碗表面连续过渡。凸状内边缘表面与凹状外碗表面在燃烧碗的边缘处突然过渡，且凸状内边缘表面限定40mm至70mm的第二曲率半径，使得当活塞处于上止点中心位置处时，具有在径向向外方向上缩小的锥形的裂缝部分由气缸盖限定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燃式内燃机的侧剖视示意图；
图2是由图1的活塞的外表面限定的轮廓的侧面示意图；
图3是图2所示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燃式内燃机的某些几何参数的图表；
图5a是图示了对于斜面边缘活塞和弧形边缘活塞的NOx与AVL烟雾的权衡的曲线图；
图5b是图示了对于斜面边缘活塞和弧形边缘活塞的NOx与BSFC的权衡的曲线图；
图6a是图示了对于竖直碗状活塞和凹角碗状活塞的NOx与AVL烟的权衡的曲线图；
图6b是图示了对于竖直碗状活塞和凹角碗状活塞的NOx与BSFC的权衡的曲线图；
图7a是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖视示意图；
图7b是类似于图7a的侧剖视示意图，其指示额外几何属性且包括详细放大部分；
图8是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖视示意图，且包括详细放大部分；
图9是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖视示意图，且包括详细放大部分；
图10是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖视示意图，且包括详细放大部分；
图11是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖视示意图，且包括详细放大部分；
图12是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖视示意图，且包括详细放大部分；
图13是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖视示意图，且包括详细放大部分；
图14是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖视示意图，且包括详细放大部分；
图15是根据一个实施例的活塞的一部分的侧剖视示意图，且包括详细放大部分；及
图16是根据一个实施例的具有活塞的压燃式内燃机的侧剖示意视图。
具体实施方式
参考图1，示出了根据一个实施例的发动机10。发动机10可以包括直接喷射压燃式内燃机，例如柴油发动机。发动机10可以进一步包括发动机壳体12或发动机组、与发动机壳体12耦合的气缸盖14，以及经设置以在由发动机壳体12限定的气缸15内往复运动的活塞18。进气通道70与气缸15流体连通且配置成向气缸15供给空气，且排气通道72也与气缸15流体连通并将燃烧产物传送到气缸15的外面。进气阀和排气阀在图1中均未示出，但通常将以常规方式提供。排气再循环回路74可以连接到通道70和72，且内部设置有排气再循环控制阀76和排气冷却器78。从以下描述将进一步显而易见的是，活塞18可以独特地配置成使与活塞18相关联的燃烧效率性质与活塞18相关联的排放性质平衡。特别地，活塞18可以包括多个尺寸、比例和形状属性，使得发动机10在操作过程中产生相对较低含量的氮氧化合物(NOx)和相对较低含量的颗粒物。本领域的技术人员将认识到，内燃机，且尤其是柴油发动机，在操作过程中可以产生各种类型的颗粒物。这种颗粒物在本文中通常称作“烟雾”，但该术语在本文中并不以任何限制方式使用。本文中对发动机10和活塞18的描述应当理解为通常适用于本文所涵盖的所有发动机和活塞，另有指示的除外。
活塞18可以包括活塞体20，所述活塞体20包括外圆柱形表面22，其设置成以常规方式与气缸15的气缸壁相对。本领域的技术人员将很容易地理解，对于活塞体20的长度来说，外表面22可能并非是均匀圆柱形，但通常将包括沿限定了纵向活塞轴线Z的轴向长度的至少一部分延伸的圆柱形表面。活塞体20可以进一步包括第一轴向活塞端24和第二轴向活塞端26，所述第二轴向活塞端包括限定了复合燃烧碗30的燃烧面28。燃烧面是否限定了本文所设想的“复合”燃烧碗可在以下性质的基础上确定：例如，凹陷或凸起性质、各自限定了不同的半径的多个不同的表面的存在、平坦度与不平坦度。因而，由横横截面为均匀圆弧形状的燃烧面的一部分所限定的燃烧碗将不能明确地说成包括一个以上的表面、或者限定一个以上的曲率半径、或者具有凸起和凹陷，且因而可能不能明确地说成是复合的。由燃烧面的凸出部分和燃烧面的凹陷部分限定的燃烧碗将很可能明确地说成是复合的。对于具有两个凹陷表面的燃烧碗，每个凹陷表面限定不同的曲率半径，也将被明确地说成是复合的。本文中对术语“复合”的其他使用应当类似地进行理解。燃烧面28可以包括复合碗表面32，其具有内碗面34和外碗面36。内碗面34可以位于圆锥形突出部31上。燃烧面28可以进一步包括复合边缘表面38，其具有邻接外圆柱形表面22的外边缘表面40和邻接复合碗表面32的内边缘表面42。外边缘表面40和内边缘表面42中的每一者可以包括围绕纵轴Z为中心的环形表面，且可以包括本文进一步描述的其他特殊特征。
燃烧面28可以进一步包括从内碗面34到外碗面36的第一连续过渡部44，以及从内边缘表面42到外边缘表面40的第二连续过渡部46。燃烧面28依然可以进一步包括从复合碗表面32到复合边缘表面38的突然过渡部48。图1图示了二维的过渡部44、46和48，但是，本领域的技术人员将了解，过渡部44、46和48中的每一者可以包括环形过渡部。过渡部44、46和48可各自包括两个分别邻接表面的多个表面点。因而，过渡部44包括内碗面34的多个表面点以及外碗面36的多个表面点。可以类似地理解过渡部46和48。过渡部44、46和48中的每一者可以纵轴Z为中心。
现在同样参考图2，燃烧面28可以包括横截面轮廓，其包括围绕纵轴Z的旋转轮廓。旋转轮廓可经成型以将活塞18的燃烧效率性质与活塞18的NOx产生性质以及烟雾产生性质相平衡。旋转轮廓可以限定穿过活塞体20的截面平面内的轮廓，所述截面平面包括纵轴Z的平面。旋转轮廓所限定的轮廓可以绕着纵轴Z为径向均匀的，且因此不论为对象截面平面选择了何种径向朝向，都将具有相同的外观。
旋转轮廓所限定的轮廓可以包括多个不同的曲线段，每个曲线段对应于燃烧面28的一个表面。如上所述，燃烧面28可以包括过渡部44、46和48。燃烧面28还可以包括第四过渡部52，其包括另一个连续过渡部，和第五过渡部54，其包括从复合边缘表面38到外圆柱形表面22的过渡部。在一个实施例中，第五过渡部54可以包括连续过渡部(例如弧形过渡部)，但也可以是不连续过渡部(例如斜面过渡部、或者斜面与弧形的组合)。
如上所述，旋转轮廓可以是围绕纵轴Z而径向均匀。因此，对图1和图2的图解中的纵轴Z的一侧上的旋转轮廓的某些特征的描述应理解为类似地指代图1和图2图解中的Z轴的相对侧面上的旋转轮廓的特征。旋转轮廓可以包括限定凸状曲线段的复合碗形轮廓，该凸状曲线段由纵轴Z一分为二。凸状曲线段可以对应于内碗表面34并由内碗表面34限定。由复合碗轮廓限定的凸状曲线段在图2中以参考标号110表示。复合碗轮廓可以进一步限定在凸状曲线段110外侧的多个凹状曲线段，其对应于外碗表面36并由外碗表面36限定。多个凹状曲线段可以包括第一多个凹状曲线段112及第二多个凹状曲线段114。复合碗轮廓可以再进一步包括邻接凸状曲线段110和邻接凹状曲线段112的多个线性曲线段120。凹状曲线段112又可以邻接凹状曲线段114。旋转轮廓可以进一步包括限定对应于外边缘表面40并由外边缘表面40限定的多个线性曲线段118的复合边缘轮廓。复合边缘轮廓可以进一步限定对应于内边缘表面42并由内边缘表面42限定的多个凸状曲线段116，并且每个凸状曲线段邻接线性曲线段118中的一者。
在一个实施例中，内碗表面34可以包括圆锥形突出部表面，其位于圆锥形突出部31上，并限定凸状曲线段110并具有位于纵轴Z内的峰值点130。峰值点130可以定位在第一轴向位置，该位置通过第一平面P1在图2中示出，该第一平面包括峰值点130并朝向为与纵轴Z垂直。外边缘表面40可以包括平面，并且可限定边缘平面P2，该边缘平面与平面P1平行并定位在第二轴向位置。突然过渡部48可以包括本文进一步描述的环形边缘，该边缘包括燃烧碗30的边缘80，该燃烧碗限定位于第三轴向位置的第三平面P3，该第三轴向位置轴向上位于平面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轴向凹进。
如上文所述，旋转轮廓可以成型以平衡燃烧效率与某些排放的产生。处理这些关注的旋转轮廓的形状的一个方面是由燃烧面28的某个表面所限定的曲率半径的相对尺寸。为此，在某些实施例中，凸状曲线段110可以限定图1中作为半径R5示出的相对小曲率半径。凹状曲线段114、凹状曲线段112，或该两者可限定中等曲率半径。由凹状曲线段112限定的中等曲率半径在图1中表示为R4，而由凹状曲线段114限定的中等曲率半径在图1中表示为R3。在所示的实施例中，外碗表面36限定多个不同曲率半径R4和R3。如在附图所示的一些实施例中，外碗表面36可以限定更多数量的曲率半径，或仅一个曲率半径。此外，由外碗表面36限定的曲率半径可以包括实际小于半径R5的一个或多个曲率半径。在图1的实施例中，外碗表面36通常将包括大于半径R5的至少一个曲率半径，因而包括中等曲率半径。凸状曲线段116可以各限定相对于半径R5的相对大曲率半径，并且该曲率半径还相对于半径R3和R4中的至少一者较大。
此外参考图3，其中示出燃烧面28的轮廓的一部分的详细视图，且尤其包括在过渡部48处邻接的内边缘表面42和外碗表面36的部分。如上所论述，过渡部48可以包括突然过渡部。在一个实施例中，突然过渡部48可以包括环形边缘，其包括碗边缘80。环形边缘可以包括环形凹角突出部。这是图1、图2和图3所示的配置。在其他实施例中，附图还示出，突然过渡部48可以不包括凹角突出部，而是可使用直侧边碗。已经发现，凹角碗配置对于用于具有相对较低速度和相对较低马力占空比的某些引擎中的活塞是有利的。在较高速度和较高马力的应用中，已经发现，凹角碗配置无需获得燃烧效率和排放之间的所需的平衡。当特定排放和/或效率要求可基于引擎尺寸或应用发生变化时，管理规范也可能影响是否需要凹角碗。
参考过渡部48使用的术语“突然”是指燃烧面28在过渡部48处彼此邻接的相应表面是不连续的，或非常接近为不连续的。“连续”过渡是指燃烧面28在过渡部处彼此邻接的表面平滑地彼此相交。连续过渡将易于用于确定由邻接过渡部的一侧的表面内的第一点和与邻接过渡部的第二侧的表面内的第二点限定的斜率。“突然”过渡可包括拐角且不易于用于以这种方式确定斜率。还可通过确定由燃烧面28的在相应过渡部汇合的部分内的多个点限定的半径(如果有)是多少来确定本文所述的过渡是突然的。在一个实施例中，突然过渡部48可包括燃烧面28的多个表面点，所述燃烧面限定第三凸状曲率半径。在图1中，第三凸状曲率半径通过R2表示。半径R2还示于图3中，并对应于微小半径，例如约1.5mm或以下，其将由非凹角碗配置中的突然过渡部48限定。大约在用于参考标号R2的箭头的尖端处的虚线示出非凹角碗的轮廓，而实线示出凹角碗的轮廓。因此，该虚线图示了将在非凹角碗配置内限定微小半径R2的表面。另一个半径Rx在图3中示出，并对应于可由凹角燃烧碗形配置中的突然过渡部48限定的微小半径。在一个实施例(凹角燃烧碗实施例)中，突然过渡部48可包括去毛边过渡部。本领域的技术人员将了解，尽管几乎任何边缘可在微观上理解为限定半径，但是去毛边的边缘在一些上下文中可理解为限定基本上可忽略不计的半径(如果有)。因此，半径Rx或R2可通过由最短可能的圆形段连接燃烧面28的多个表面点来限定，所述圆形段包括大约如图3中所示的分隔邻接表面的线。大约在用于参考标号Rx的箭头的尖端处的虚线是这样的圆形段，并与分隔表面42和36的进出图3中的页面的虚线相交。Rx是由该虚线限定的微小半径。“突然”过渡还可理解为燃烧面内最急剧的过渡。由突然过渡部48内的燃烧面28的表面点限定的第三凸曲率半径R2/Rx也可小于相对小的曲率半径R5，且也可至少数量级地小于相对大的曲率半径R1。在一个特定实施例中，半径R1可等于约50毫米。
再次参照图4，示出列出与根据本发明的内燃机和活塞相关联的各种特征的图表。活塞18的某些特征和引擎10以及本文涵盖的其他引擎的某些特征可以有利地实现本文描述的平衡燃烧性质与排放产生性质的目标的方式彼此相关。回顾前面，内碗表面34可包括在圆锥形突出部31上的圆锥形突出部表面。圆锥形突出部表面可限定燃烧碗30的锥角。锥角在图1中通过参考字母A1示出。在实际实施策略中，锥角A1可等于约135°或小于135°，且可为约125°和135°之间。然而，在某些实施例中，约124°和约128°之间更小的锥角可能是适当的。特定锥角的合适性可部分取决于所用的燃料喷射器喷射角和在气缸15内行进燃料喷射烟缕的所要型样，如本文进一步描述。引擎10还包括安装在汽缸盖14中的燃料喷射器16，其具有多个喷射器孔(未示出)。喷射器孔可具有例如5或6的总数，并限定可等于约130的喷射器喷射角。喷射器喷射角在图1中通过参考字母A2示出。在某些实施例中，锥角A1将小于喷射角A2。
在某些实施例中，喷射器喷射角A2和锥角A1之间的差可在约2°和约6°之间。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图1中通过D4表示的碗边缘深度，所述碗边缘深度小于由平面P1和P2的轴向位置之间的差限定的锥体深度D5。在一个进一步的实施例中，锥体深度D5可等于约3mm或更大，且可在约3mm和约6mm之间。对于引擎1中所用的活塞，锥体深度可等于约3.2mm。边缘深度D4可等于约1mm和约3mm之间。
如本文中使用，术语“约”可在多个有效数字的上下文中理解。因此，在相对较大的曲率半径R1被描述为等于约50mm的情况下，其可理解为等于45mm和54mm之间。本文所公开的其他尺寸和比例在传统上可能是全面的，即使未使用术语“约”。根据本发明的示例性活塞和发动机的进一步尺寸特征以及特征之间及之中的示例性关系可从图4中所示的图表的研究中获得。如上所述，图4中所示的图表包括根据本发明的多个不同发动机的示例性尺寸和比例关系。该图表图示了第一发动机(发动机编号1)的参数，所述第一发动机包括由本专利申请案的受让人制造的示例性C9发动机。发动机2表示由本专利申请案的受让人制造的一个示例性C13发动机。发动机3A和发动机3B包括C15发动机，发动机4包括C18发动机，发动机5包括C27发动机，发动机6A和发动机6B各包括C32发动机，且发动机7包括C140发动机，所有这些发动机都由本专利申请案的受让人制造。
图4的图表中所示的尺寸表示实际实施策略以及工作实施例的特定实例。下表限定了本文所论述的参数且为图4的图表中所列且在附图中所示的某些参数列出了范围。
表1
图7a至图15各图示根据本发明的示例性活塞的特征。图7a和图7b对应于图4的图表中的发动机1，而图8对应于发动机2。图9对应于发动机3a，而图10对应于发动机3b。图11对应于发动机4，图12对应于发动机5，图13对应于发动机6a，且图14对应于发动机6b。图15对应于发动机7。在图7a至图15中使用的参考字母识别类似于由图1中的相同参考字母所识别的特征的特征。因此，R1识别图7a至图15的每个活塞中的顶部槽脊半径，R3识别碗半径，等等。在图7a至图15中使用的参考标号用于识别类似于由图1中的参考标号所识别特征的特征，这些参考标号仅相差一个数字。因此，18识别图1的实施例中的活塞，218识别图7a和图7b中的活塞，318识别图8中的活塞，等等。
参考图15，活塞1018具有很多类似于本文所设想的其他活塞的特征的特征，且可连同图4的发动机5、6A和6B中所使用的活塞一起被视为活塞子类的部分。换句话说，本文所设想的所有活塞共享各种特征且被优化而具有类似末端，所述活塞可根据某些相似性再细分类，且发动机5A、发动机5B、发动机6和发动机7的活塞为此种子类。本文对于活塞1018的描述和讨论因此应理解为类似地指代活塞718、活塞818和活塞918，除非另有指示或从图4显而易见。活塞1018包括具有限定复合燃烧碗1030的燃烧面1028的活塞体1020以及复合边缘1030。活塞体1020的特征通常可理解为类似于发动机5、6A和6B中使用的活塞的特征布置，对应于图12、图13和图14。该子类中的所有活塞为非凹角的，具有限定一个曲率半径R3的外碗表面(在活塞1018中其为1026)，且在具有六孔燃料喷射器的发动机中使用。在当前所述的子类中的活塞也可在相对较高马力应用(例如大约560千瓦或更高)中找到应用。在某些管辖区域中可适用于在此功率输出分类中的发动机的排放限制为发动机每千瓦时功率输出的3.5克NOx、发动机每千瓦时功率输出的0.04克颗粒物(PM)、发动机每千瓦时功率输出的0.19克未燃烧碳氢化合物(HC)，以及发动机每千瓦时功率输出的3.5克一氧化碳(CO)。此子类中的活塞1018和其他活塞使得可在这些限制内操作。
此子类中的活塞和发动机的尺寸和比例属性的某些一般范围也存在。这种发动机具有15∶1至16∶1的压缩比和1或小于1的涡旋比，为0.68至0.74的燃烧碗直径与汽缸孔直径的比，且大于锥角的燃料喷射器喷射角，所述锥角由在燃烧碗内的活塞对象的圆锥形突出部限定。外圆柱形表面、纵向活塞轴线、包括燃烧面(在活塞1018中其为1028)的轴向活塞端的特征，以及某些其他特征在子类中也很常见。为了清楚并方便描述，附图中未具体地通过参考标号标注其他属性，本文也未具体地进行论述，但是鉴于在本方明的上下文中所设想的其他活塞和发动机的描述以及图4中的信息，所述属性可以易于理解。
由在活塞的该子类中的燃烧碗内的活塞的圆锥形突出部限定的锥角A2可等于大约135°或更小。通过参考标号1026所示的凹状外碗表面限定13mm至16mm的第一曲率半径R3。凸状内碗表面1024与凹状外碗表面1026连续过渡。凸状内边缘表面1048在燃烧碗1030的边缘处与凹状外碗表面1022突然过渡。凸状内边缘表面1048限定第二曲率半径R1，其在子类的活塞中为40mm至70mm，使得燃烧碗1030的边缘从由燃烧面1028的平坦外边缘表面限定的平面轴向凹陷。通过曲率半径R1凹陷燃烧碗的边缘使得气体能够从类似于本文所设想的其他活塞和发动机设计的裂缝中挤出。
鉴于以下不变相对可变的活塞和发动机性质的论述，将进一步理解活塞碗设计的一个方面，这一方面可以通常作为已有平台和新平台之间压缩比的保留。某些发动机将鉴于许多不同的因素而预定压缩比，这些因素包括气缸盖的组件的通常固定配置、固定的或至少改变发动机本身的性质(例如冲程距离和孔径尺寸)很难并且昂贵，以及其他因素。如上所述，在由发动机5、6A、6B和7所表示的子类中的发动机可具有15∶1至16∶1的压缩比。此种发动机还可具有138mm至146mm的孔径尺寸。
在该子类中的活塞的制冷能力还可影响关于几何结构以及比例上的设计变化和考虑因素。例如，燃烧碗通常将不会设计为凹角的，而相反可以设计为至少部分直边的，以避免可能由凹角突出部引起的材料过薄，从而导致操作期间过热以及故障。在实际实施策略中，活塞1018中的凹状外碗表面1026形成邻接燃烧碗1030的边缘的竖向垂直壁1022。凹状外碗表面1026由于凸状内碗表面1024连续过渡至竖向垂直壁1022而可具有均匀的曲率。也可能需要的是，根据实际情况，利用均匀曲率而不是变化曲率的凹状外碗表面以用于尽可能平滑地在径向向外的方向上从燃烧碗的中心传播来自燃料喷射器的燃料喷射烟缕。
前述因素和其他因素对活塞设计有很大的限制，但在发起任何特定活塞设计项目后其相对重要性和交叉耦合可能不易于显而易见或在直觉上进行确定。在本实例中，活塞1018的设计受益于通过本文所设想的其他活塞(特别是活塞718、818和918)的设计和测试而获得的一定程度的知识。不同的喷射角、大边缘半径、尖锐的碗边缘和非凹角碗形状都是确定为需要的特征，但是在不影响可能需要保留的其他因素(例如压缩比)的情况下实施很具挑战性。除这些因素外，基于经验、工程判断和性能测试数据选择的不同特征(例如，碗深度和半径)提供解决方法并使得压缩比能够保留。
在此种子类中的活塞的燃烧碗可将碗直径D6限定为94mm至106mm，并将碗体积限定为98cm3至137cm3。这些活塞中的每一者的凹状外碗表面1026可从平面限定碗深度D11，该平面由为17mm至20mm的平坦外边缘表面限定。更具体地，第一曲率半径R3可为15mm至16mm，碗直径D6可为103mm至104mm，碗深度D11可为18mm至19mm。更确切地说，碗体积可为120cm3至130cm3，半径R3可为15mm，碗直径D6可为104mm，且碗深度D11可为50mm。活塞体的外径尺寸可大于比碗直径D6约33％且碗深度D11可为碗直径D6的约18％。根据另外的另一特征，曲率半径R3及曲率半径R1可以如同图4中的发动机5、6A、6B和7中的一个发动机所指定的一样，且碗直径D6和碗体积也可为这些相同的发动机中的一个发动机所指定的一样。活塞1018可具有图4中的发动机7指定的所有活塞特征。
现参考图16，示出了发动机系统1010，其类似于本文所设想的其他发动机系统，且包括耦合至发动机壳体1012的气缸盖1014，该发动机壳体1012具有多个位于其中的活塞1018。发动机系统1010还包括燃料系统1040，其具有共轨1042，该共轨1042与至少部分地定位于发动机壳体1014的一个气缸内的多个燃料喷射器1016中的每一者流体连接。未示出气缸套，但一般会用到气缸套，因此气缸套将确定对象气缸孔直径。燃料系统1040还包括高压泵1044，其与燃料供应源或储罐1046流体连接，且配置为转换并加压来自供应源1046的燃料用以传递至共轨1042。燃料系统1010还可包括排气再循环回路，其流体地连接在排气通道和进气通道之间，类似于图1所示的发动机系统10。图4的发动机7还包括共轨发动机，例如发动机1040。在一些实例中，共轨技术提供较少含量的某些排放物，例如PM。相应地，尽管本发明并未因此受限制，但共轨系统为发动机7，也可能为子类的其他发动机提供一种切实可行的实施策略。
工业实用性
回到图1，所示的发动机10设置有活塞18，因为在压缩冲程结束时，其似乎可能已经前进到气缸15的上止点中心位置。空气已经输送到气缸15，使得空气以纵轴Z的外周方向围绕气缸15旋动。在一个实施例中，含有空气的气体与再循环废气的混合物可以通过进气通道70输送到气缸15中，使得气体混合物以小于或等于发动机10的转速的速度旋动，也就是说，其具有的涡流比大约为1或以下。涡流比在本文中可以理解为旋动气体的切向速度与发动机转速(RPM)之商。在活塞18的压缩冲程期间，气缸15中的气体混合物可被压缩，使得气体混合物的压力增加15到17倍。
在活塞18快要前进到气缸15中的上止点中心位置时，可以开始直接喷射燃料到气缸15内。在一个实施例中，燃料喷射可以在发动机正时之时开始，使得来自燃料喷射器16中喷孔的全部五或六股燃料喷射烟缕的每一股的中心轴线都指向突变过渡部48。图示是燃料喷射开始时气缸15中活塞18的一个快照，燃料喷射烟缕的中心轴线预期可以与碗边缘80相交。在图1中，从喷射器16向外延伸的虚线表示燃料喷射烟缕的中心轴线。如上所述，锥角A1可以小于喷射角A2。通常可能希望将燃料径向地向外引导到燃烧碗30中，使得从根本上限制或避免燃料喷射对凸状内表面34的碰撞。相对较小的锥角A1以及其他特征(例如碗形状和体积)、喷射正时、以及喷射角都可以促成该目标。在活塞18到达上止点中心位置之时或之前，气体可以在活塞18到达上止点中心位置之时从部分地由气缸盖14所限定且部分地由复合边缘38所限定的裂缝82处被挤压。可以注意到，裂缝82包括在径向向外方向上的缩小锥形。特别地，采用据认为是诱导或至少增强气体旋动以及燃料雾化和蒸发的方式，气体可以通过突变过渡部48向内朝向并挤压到燃烧碗30内。气体从裂缝82处的挤压所导致的旋动可以在大体上沿着燃烧碗30的轮廓和气缸盖14的暴露内表面的路径发生。因而，在图1中Z轴右侧的燃烧碗30的部分中，气体可以按逆时针方向旋动，而在Z轴的另一侧则按顺时针方向旋动。这不同于将进气输送到气缸15相关联的旋动方式(其是沿Z轴周向旋动)。在活塞18到达上止点中心位置之时或之后很短时间内，气缸15中的气体和燃料的混合物开始自燃。
图5a包括将斜面边缘活塞(虚线)相对于本文所公开类型的弧形边缘活塞(实线)的AVL烟雾与NOx相对比的曲线图。图5b包括将相同的斜面和弧形边缘活塞的制动耗油率(BSFC)与NOx相对比的曲线图。图5a和5b中所示的数据取自本专利申请案的受让人采用排气再循环而制造的C15发动机。该发动机在约1800RPM和1050牛米下在大约100％的负载条件下运转。通过清除排气再循环量，实现不同的NOx含量，同时保持开始喷射的压力和主喷射正时恒定。从图5a和5b可以注意到，对于斜面边缘活塞与弧形边缘活塞，发动机排出的烟尘率或烟雾率以及BSFC非常相似。在图5a中，其相应末端之间的两条曲线中的每一者指示所测量的烟雾值大约共计变化2倍，而所测量的NOx值变化2.5倍。在图5b中，两条曲线各指示所测量的BSFC值变化了大约2倍，而所测量的NOx值变化了大约2％-3％。所述曲线图仅为说明性的，且其他测试条件可能产生不同的结果，然而，对于独立于某些其他几何因素的活塞碗的设计而言，从图5a和5b的曲线图中所得的结论至少在某种程度上预期是概括性的。
图6a和图6b分别包括对于每一个直式碗(实线)和凹角碗(虚线)的活塞设计，将烟雾产生和NOx产生进行比较和将BSFC与NOx产生进行比较的曲线图。在类似于获得图5a和图5b中的数据所使用的发动机并且是在类似的条件下进行操作的发动机上获得在图6a和图6b中示出的数据。可以注意到，相比于直式碗设计，在凹角碗设计上的烟雾的改进是易于显而易见的，并且BSFC的改变是可忽略的，即在测量能力内。在图6b的曲线图中，每条曲线图示了大约为所测量烟雾值的两倍的总变化，和大约1到1.5倍的所测量NOx值的总变化。在图6a的曲线图中，直式碗曲线示出了所测量BSFC值的极小的总变化，以及凹人碗曲线示出了测量能力内的总BSFC变化。在图6b中的每一条曲线示出了所测量NOx值中的大约两倍的变化。相比于直式碗设计，通过凹角碗设计获得的烟雾的改进相当于用于获得在图6a和图6b中所示的数据并在所描述的操作条件下的发动机的改进的至少10％。与图5a和图5b的曲线图一样，从图6a和图6b得出的结论预期至少在某种程度上是概括性的。
如上所论述，活塞和压缩式内燃机的各种几何特征以及发动机操作条件和策略可以显著影响效率和排放。许多这些参数的具体效果相对知之甚少，并且参数的交叉耦合往往意味着切换任何个别参数可能产生不可预测的后果。将这些挑战混合是制造商之间的发动机设计和操作中的某些变化，这些变化可能不具体地旨在解决效率和/或排放，而是对任何特定发动机或活塞可如何配置产生固定的外部约束，并且从而限制了可用的设计选项。例如，涡旋比是可以部分地取决于发动机的进气系统的组件的几何结构的一个因素。在重新设计进气系统不是可行选项的情况下，开发一种具备合适的效率和排放的活塞可能需要加工在由进气系统施加的某些不可变的约束内工作的活塞。类似地，当选择排气再循环为基本NOx减少策略，可在基于EGR的发动机中加工提供合适性能的活塞可以不同于在系统中执行最佳的活塞，其中使用了一些其他的NOx减少策略。换句话说，既然已知EGR可以与至少某些实施方案中的NOx和烟雾的一定的平衡相关联，为基于EGR的发动机设计可协助减少NOx和烟雾的活塞需要达到的平衡不同于非EGR发动机中使用的活塞所需要达到的平衡，这在其他方面往往会产生NOx和烟雾的不同平衡。如气缸孔尺寸和压缩比的其他因素仍然可以作为基本上是固定的外部的约束。
因此，本领域技术人员将了解，在“X”型发动机中开发一种具备可接受的性能的活塞中所作的努力可以非常不同于在开发一种适合于“Y”型发动机的活塞中所作的努力。然而，依据以上所阐明的某些概括可以根据本发明对开发活塞、发动机或操作方法做的决策进行指导。例如，已经发现EGR在减少NOx的许多情况下是有效的，但在一些情况下，使用EGR的发动机中的燃烧条件可能导致产生过量的烟雾。已经发现，形成过渡部48对于更高量的EGR是相对更突然的而对于较低量或零量的EGR是相对较不突然的，这可在没有NOx消耗的情况下协助保持烟雾含量低。关于边缘的几何结构，已经发现，在某些早期设计中的平坦边缘可以与比在当前所公开的设计中使用弧形边缘产生的烟雾相对更高的烟雾相关联。可以从图4的图表中注意到，某些活塞被设计成具有凹角燃烧碗，而其他的活塞包括直边燃烧碗。在一些情况下，与直边碗的设计相比，凹角碗的设计可与较低烟量相关联。然而，如上所论述，发动机占空比可能会影响这些和其他性质。因此，对于预期在更高的速度或负载下操作的发动机，一般的燃烧条件可使得不管使用的是直边还是凹角燃烧碗，产生的烟雾含量均可接受。
鉴于前述内容，将了解，几何结构中看似微小的变化(特别是在燃烧碗的边缘处或附近)可以对排放和/或效率产生显著影响。由于这些性质在重要部分中也可以取决于如何操作发动机，经配置以在具有第一占空比的一种类型的发动机中使用的活塞在具有不同占空比的另一种类型的发动机中可能不会成功。在图4的图表中阐述的示例包括表示本发明的实际实施方案的九种不同发动机。图4的图表中列出的不同的参数可具有相对较低或较高的有效性，其有关效率、NOx和烟雾的平衡，并且应被视为关键的参数可以取决于所寻求的特定平衡。
本说明书仅用于说明的目的，且不应当解释为以任何方式来限制本发明的宽度。因此，本领域技术人员将了解，在不背离本发明的全部和合理范围以及精神的情况下可对本文所公开的实施例做出各种修改。在检查附图和所附权利要求书后，其他方面、特征和优点将显而易见。

Claims (7)

1.一种活塞(718、818、918、1018)，其用于在具有15:1至16:1的压缩比的直接喷射压燃式内燃机(1010)中平衡燃烧效率与NOx产生和烟雾产生，其中所述发动机(1010)具有1或小于1的涡旋比，燃烧碗直径与气缸孔直径的比为0.68到0.74，并且其中燃料喷射的喷射角大于由所述燃烧碗(730、830、930、1030)内的所述活塞(718、818、918、1018)的圆锥形突出部限定的锥角，所述活塞(718、818、918、1018)包括：
活塞体(720、820、920、1020)，其具有限定纵向活塞轴线的外圆柱形表面；轴向活塞端，其包括限定复合燃烧碗(730、830、930、1030)的燃烧面(728、828、928、1028)；以及复合边缘(738、838、938、1038)，其位于所述轴向活塞端上且从所述燃烧碗(730、830、930、1030)径向向外延伸至所述外圆柱形表面；
所述复合燃烧碗(730、830、930、1030)包括位于所述圆锥形突出部上的凸状内碗表面(1024)和凹状外碗表面(1026)，且所述复合边缘(738、838、938、1038)包括邻接所述外圆柱形表面的平坦外边缘表面和邻接所述复合燃烧碗(730、830、930、1030)的凸状内边缘表面(1048)；
其中所述锥角等于约135°或小于135°，所述凹状外碗表面(1026)限定13mm至16mm的第一曲率半径，且所述凸状内碗表面(1024)与所述凹状外碗表面(1026)连续过渡；且
其中所述凸状内边缘表面(1048)与所述凹状外碗表面(1026)在所述复合燃烧碗(730、830、930、1030)的边缘处突然过渡，且所述凸状内边缘表面(1048)限定40mm至70mm的第二曲率半径，从而所述燃烧碗(730、830、930、1030)的所述边缘从由所述平坦外边缘表面限定的平面轴向凹陷，使得当所述活塞(718、818、918、1018)处于所述发动机(1010)的上止点中心位置处时，气体从裂缝被挤压，所述裂缝具有向外缩小锥形且部分由所述气缸盖(1014)限定并部分由所述复合边缘(738、838、938、1038)限定，其中所述复合燃烧碗(730、830、930、1030)限定碗直径为94mm至106mm，以及碗体积为98cm3至137cm3；
其中所述凹状外碗表面(1026)限定从所述平面的碗深度，其为17mm至20mm；
其中所述凹状外碗表面(1026)形成邻接所述复合燃烧碗(730、830、930、1030)的所述边缘的竖向垂直壁(1022)，并具有从所述凸状内碗表面(1024)连续过渡到所述竖向垂直壁(1022)的均匀曲率。
2.如权利要求1所述的活塞(718、818、918、1018)，其中所述第一曲率半径为15mm至16mm，所述碗直径为103mm至104mm，且所述碗深度为18mm至19mm；且
其中所述碗体积为120cm3至130cm3。
3.如权利要求1所述的活塞(718、818、918、1018)，其中所述第一曲率半径为15mm，所述碗直径为104mm，所述碗深度为19mm，且所述第二曲率半径为50mm。
4.一种活塞(718、818、918、1018)，其用于在直接喷射压燃式内燃机(10、1010)中平衡燃烧效率与NOx产生和烟雾产生，所述活塞包括：
活塞体(720、820、920、1020)，其具有限定纵向活塞轴线的外圆柱形表面；轴向活塞端，其包括限定复合燃烧碗(730、830、930、1030)的燃烧面(728、828、928、1028)；以及复合边缘(738、838、938、1038)，其位于所述轴向活塞端上且从所述燃烧碗(730、830、930、1030)径向向外延伸至所述外圆柱形表面；
所述复合燃烧碗(730、830、930、1030)包括：凸状内碗表面(1024)，其位于所述圆锥形突出部上且限定锥角，以及凹状外碗表面(1026)，其从所述内碗表面(1024)径向向外延伸且限定第一曲率半径；
所述复合边缘(738、838、938、1038)包括：平坦外边缘表面，其邻接所述外圆柱形表面，以及凸状内边缘表面(1048)，其邻接所述复合燃烧碗(730、830、930、1030)且限定第二曲率半径；
所述凸状内碗表面(1024)与所述凹状外碗表面(1026)连续过渡，且所述凸状内边缘表面(1048)与所述凹状外碗表面(1026)在所述复合燃烧碗(730、830、930、1030)的边缘处突然过渡；
所述复合燃烧碗(730、830、930、1030)限定碗直径，且所述活塞体(720、820、920、1020)限定活塞体直径，其比所述碗直径大约33％；及
所述锥角为约135°或小于135°，所述第一曲率半径为13mm至16mm，且所述第二曲率半径为40mm至70mm，其中所述凹状外碗表面(1026)形成邻接所述复合燃烧碗(730、830、930、1030)的所述边缘的竖向垂直壁(1022)，且具有从所述凸状内碗表面(1024)连续过渡到所述竖向垂直壁(1022)的均匀曲率；
其中所述平坦外边缘表面限定平面，且所述凹状外碗表面(1026)限定从所述平面的碗深度，其约为所述碗直径的约18％。
5.如权利要求4所述的活塞(718、818、918、1018)，其中所述第一曲率半径具有值R3且所述第二曲率半径具有值R1，其中R3为13mm、15.75mm、14.5mm或15.42mm，R1为50mm；及
其中所述燃烧碗(730、830、930、1030)具有碗体积，且所述碗直径具有值D6，D6为4.1mm或4.21mm。
6.如权利要求5所述的活塞(718、818、918、1018)，其中所述活塞(718、818、918、1018)具有以下活塞特征：
第一曲率半径具有值R3，其中R3为15.42mm；
所述碗直径具有值D6，D6为4.21mm；
碗体积为125.7cm3。
7.一种直接喷射压燃式内燃机(1010)，其包括：
发动机壳体(1012)，其限定具有138mm至146mm的气缸孔直径的气缸孔且包括各与所述气缸孔流体连通的进气通道(70)和排气通道；
气缸盖(1014)，其与所述发动机壳体(1012)耦合；
燃料喷射器(1016)，其安装在所述气缸盖(1014)中并配置成直接将燃料喷射到所述气缸孔中，该燃料喷射器(1016)具有限定喷射角的多个喷孔；
活塞(718、818、918、1018)，其用于在燃烧所述气缸孔中的所述燃料与空气的混合物期间平衡燃烧效率与NOx产生和烟雾产生，所述活塞(718、818、918、1018)包括：活塞体(720、820、920、1020)，其具有限定纵向活塞轴线的外圆柱形表面，和轴向活塞端，其包括限定复合燃烧碗(730、830、930、1030)的燃烧面(728、828、928、1028)，且其中所述燃烧碗(730、830、930、1030)的直径与所述气缸孔直径的比为0.68到0.74；
所述活塞(718、818、918、1018)进一步包括所述燃烧碗(730、830、930、1030)内的圆锥形突出部(31)，和在径向向外方向上从所述燃烧碗(730、830、930、1030)延伸至所述外圆柱形表面的复合边缘(738、838、938、1038)；
所述燃烧碗(730、830、930、1030)包括位于圆锥形突出部上的凸状内碗表面(1024)和凹状外碗表面(1026)，且所述复合边缘(738、838、938、1038)包括邻接所述外圆柱形表面的平坦外边缘表面和邻接所述燃烧碗(730、830、930、1030)的凸状内边缘表面(1048)；
其中所述圆锥形突出部限定锥角，其小于所述喷射角并为约135°或小于135°，所述凹状外碗表面(1026)限定13mm至16mm的第一曲率半径，并且所述凸状内碗表面(1024)与所述凹状外碗表面(1026)连续过渡；
其中所述凸状内边缘表面(1048)与所述凹状外碗表面(1026)在所述燃烧碗(730、830、930、1030)的边缘突然过渡，且所述凸状内缘表面(1048)限定40mm至70mm的第二曲率半径，使得当所述活塞(718、818、918、1018)处于上止点中心位置时，在径向向外的方向上具有缩小锥形的裂缝部分地由所述气缸盖(1014)限定并部分地由所述复合边缘(738、838、938、1038)限定，其中所述燃烧碗(730、830、930、1030)具有98cm3至137cm3的碗容积，并且所述发动机(1010)具有15:1至16:1的压缩比；
其中所述燃烧碗(730、830、930、1030)的所述直径与所述气缸孔直径的比是0.74；
其中所述燃烧碗直径是103.6mm，且所述气缸孔直径是140mm；
其中所述凸状内碗表面(1024)与所述凹状外碗表面(1026)连续过渡，且其中所述凹状外碗表面(1026)形成邻接所述复合燃烧碗(730、830、930、1030)的所述边缘的竖向垂直壁，并具有从所述凸状内碗表面(1024)连续过渡到所述竖向垂直壁的均匀曲率；以及
进一步包括：排气再循环回路，其在所述排气通道和所述进气通道之间流体连接，和共用轨道(1042)，其流体地连接到所述燃料喷射器(1016)。
CN201480027262.5A 2013-05-13 2014-05-01 具有燃烧碗形状以平衡燃烧效率和排放性质的活塞 Active CN105209739B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/892,612 US9234451B2 (en) 2010-04-20 2013-05-13 Piston having combustion bowl shaped to balance combustion efficiency and emission properties
US13/892,612 2013-05-13
PCT/US2014/036290 WO2014186136A2 (en) 2013-05-13 2014-05-01 Piston having combustion bowl shaped to balance combustion efficiency and emission properties

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105209739A CN105209739A (zh) 2015-12-30
CN105209739B true CN105209739B (zh) 2018-01-19

Family

ID=49156501

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201480027262.5A Active CN105209739B (zh) 2013-05-13 2014-05-01 具有燃烧碗形状以平衡燃烧效率和排放性质的活塞

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9234451B2 (zh)
EP (1) EP2997246A4 (zh)
CN (1) CN105209739B (zh)
WO (1) WO2014186136A2 (zh)

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8978621B2 (en) * 2010-04-20 2015-03-17 Caterpillar Inc. Piston having combustion bowl shaped to balance combustion efficiency and emission properties
JP2013217306A (ja) * 2012-04-10 2013-10-24 Isuzu Motors Ltd 直噴式エンジンの燃焼室構造
US20130319372A1 (en) * 2012-06-04 2013-12-05 Caterpillar, Inc. Internal Combustion Engine Having Piston Configured For Reduced Particulate Emissions, And Method
US9328693B2 (en) * 2013-07-17 2016-05-03 Electro-Motive Diesel, Inc. Piston, engine and operating method for reduced production of particulate matter
US20160169152A1 (en) * 2014-12-11 2016-06-16 Caterpillar Inc. Engine Piston
US10184388B1 (en) 2015-11-30 2019-01-22 Caterpillar Inc. Engine piston
US10294888B2 (en) * 2016-09-01 2019-05-21 Caterpillar Inc. Piston balancing heat dissipation and combustion properties in internal combustion engine
US10233865B2 (en) 2016-09-30 2019-03-19 Mahle International Gmbh Piston crown having conical valve pocket
GB2557267B (en) * 2016-12-02 2020-05-06 Perkins Engines Co Ltd Piston crown with swirl-inducing bowl
KR102463469B1 (ko) * 2017-10-17 2022-11-04 현대자동차주식회사 리엔트랜트 연소실을 갖춘 디젤엔진
US10518759B2 (en) 2017-12-01 2019-12-31 Hb Performance Systems, Inc. Brake master cylinder with curved lands
CN108590879A (zh) * 2018-05-29 2018-09-28 重庆隆鑫发动机有限公司 重油发动机活塞及航空发动机
US10823045B2 (en) * 2018-11-14 2020-11-03 Ford Global Technologies, Llc Methods and systems for a piston
US20200165963A1 (en) * 2018-11-26 2020-05-28 Caterpillar Inc. Piston for compression-ignition engine having antebowl and engine operating strategy utilizing same
AT17205U1 (de) * 2020-06-18 2021-09-15 Innio Jenbacher Gmbh & Co Og Kolben für Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine mit einem solchen
US11644000B2 (en) 2021-08-25 2023-05-09 Caterpillar Inc. Fuel injector clamp assembly for offset clamping bolt and cylinder head assembly with same
US20230065121A1 (en) * 2021-08-25 2023-03-02 Caterpillar Inc. Engine system and operating method using matched fuel injector and piston for optimized spray jet interaction with combustion bowl
US11603817B1 (en) 2021-08-25 2023-03-14 Caterpillar Inc. Slim-profile fuel injector for tight packaging in top feed fuel system
US11608804B1 (en) 2021-08-25 2023-03-21 Caterpillar Inc. Fuel injector having side-fitted fuel connector for tight packaging in top-feed fuel system
US11898516B2 (en) 2021-08-25 2024-02-13 Caterpillar Inc. Cylinder head having bore locations arranged for tight packaging of gas exchange and fuel system components
US11959414B2 (en) * 2022-03-23 2024-04-16 Caterpillar Inc. Gaseous fuel reciprocating engine and operating methodology for reduced hydrogen flame speed
US11519359B1 (en) 2022-04-04 2022-12-06 Caterpillar Inc. Low compression natural gas engine piston bowl for improved combustion stability
CN114991940B (zh) * 2022-06-09 2023-07-21 北京航空航天大学 一种适应负碳生物燃料的航空发动机燃烧室

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0945602A2 (en) * 1998-03-27 1999-09-29 Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho Direct-injection diesel engine and combustion method for the same
FR2864581A1 (fr) * 2003-12-26 2005-07-01 Renault Sas Piston, moteur a combustion interne comportant un tel piston et procede de commande d'un tel moteur
CN102859166A (zh) * 2010-04-20 2013-01-02 卡特彼勒公司 具有成型用于平衡燃烧效率和排放性能的燃烧碗的活塞

Family Cites Families (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2870754A (en) * 1951-05-03 1959-01-27 Lister & Co Ltd R A Internal combustion engine with piston having combustion cavity in its head
HU164219B (zh) * 1970-04-07 1974-01-28
DE2815717A1 (de) * 1977-04-29 1978-11-02 List Hans Luftverdichtende, direkt einspritzende brennkraftmaschine
AU7754187A (en) * 1986-08-01 1988-02-24 Gunter Elsbett Piston upper part with incorporated support bearings for supporting the piston pin of a piston engine
JP2712317B2 (ja) 1988-06-30 1998-02-10 株式会社島津製作所 温度測定装置
JPH0212028U (zh) * 1988-07-07 1990-01-25
JPH0299718A (ja) * 1988-10-07 1990-04-11 Mitsubishi Motors Corp 直接噴射式ディーゼル機関の燃焼室構造
JP2860575B2 (ja) * 1990-01-12 1999-02-24 ヤンマーディーゼル株式会社 ディーゼル機関の燃焼装置
IT1240526B (it) * 1990-07-31 1993-12-17 Borgo Nova S.P.A. Perfezionamento relativo a pistoni, in genere.
US5868112A (en) * 1996-12-19 1999-02-09 Cummins Engine Company, Inc. Deep angle injection nozzle and piston having complementary combustion bowl
US5970946A (en) 1997-11-18 1999-10-26 Shea; Patrick R. Non-annular piston bowl for two-valve engines using offset injectors
JP3613054B2 (ja) * 1999-02-15 2005-01-26 三菱自動車エンジニアリング株式会社 直噴エンジン
GB2391921B (en) 2001-04-27 2005-10-26 Gen Motors Corp Low emission fuel efficient diesel locomotive engine including a piston having a toroidal surface
US6732702B2 (en) * 2002-01-23 2004-05-11 International Engine Intellectual Property Company, Llc Combustion chamber
DE10221561A1 (de) 2002-05-15 2004-01-08 Mahle Gmbh Gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor
US6732703B2 (en) 2002-06-11 2004-05-11 Cummins Inc. Internal combustion engine producing low emissions
US7210448B2 (en) 2002-06-11 2007-05-01 Cummins, Inc. Internal combustion engine producing low emissions
US8276563B2 (en) * 2002-06-28 2012-10-02 Cummins, Inc. Internal combustion engine piston
US6705273B1 (en) * 2002-09-30 2004-03-16 International Engine Intellectual Property Company, Llc Combustion chamber
KR101130637B1 (ko) * 2003-12-01 2012-04-02 가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼 연료 직접 분사식 디젤 엔진
US7370627B2 (en) * 2004-03-01 2008-05-13 Electro-Motive Diesel, Inc. Optimized low emission two-stroke internal combustion diesel engine
US6997158B1 (en) * 2004-10-07 2006-02-14 International Engine Intellectual Property Company, Llc Diesel combustion chamber
US7597084B2 (en) * 2005-03-09 2009-10-06 Caterpillar Inc. Internal combustion engine and operating method therefor
DE102005060547A1 (de) * 2005-12-17 2007-06-28 Mahle International Gmbh Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu seiner Herstellung
US7654240B2 (en) * 2006-08-18 2010-02-02 Caterpillar Inc. Engine piston having an insulating air gap
US7389764B1 (en) * 2007-01-23 2008-06-24 Gm Global Technology Operations, Inc. Low emissions diesel piston
US7383808B1 (en) * 2007-07-03 2008-06-10 Federal-Mogul World Wide, Inc. Articulated piston skirt
JP5196637B2 (ja) * 2007-09-21 2013-05-15 ヤンマー株式会社 ディーゼルエンジン
US8499735B2 (en) * 2007-10-30 2013-08-06 Volvo Lastvagnar Ab Device for reducing emissions in a vehicle combustion engine
DE112010004196T5 (de) * 2009-10-30 2012-08-30 Caterpillar Inc. Gewichtsausgeglichener Verbrennungsmotorkolben
DE102010044514A1 (de) * 2010-09-07 2011-04-21 Daimler Ag Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0945602A2 (en) * 1998-03-27 1999-09-29 Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho Direct-injection diesel engine and combustion method for the same
FR2864581A1 (fr) * 2003-12-26 2005-07-01 Renault Sas Piston, moteur a combustion interne comportant un tel piston et procede de commande d'un tel moteur
CN102859166A (zh) * 2010-04-20 2013-01-02 卡特彼勒公司 具有成型用于平衡燃烧效率和排放性能的燃烧碗的活塞

Also Published As

Publication number Publication date
EP2997246A4 (en) 2017-01-04
WO2014186136A3 (en) 2015-04-02
US20130239925A1 (en) 2013-09-19
US9234451B2 (en) 2016-01-12
CN105209739A (zh) 2015-12-30
WO2014186136A2 (en) 2014-11-20
EP2997246A2 (en) 2016-03-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105209739B (zh) 具有燃烧碗形状以平衡燃烧效率和排放性质的活塞
US9238996B2 (en) Piston having combustion bowl shaped to balance combustion efficiency and emission properties
CN105209738B (zh) 具有燃烧碗的活塞及使用该活塞的发动机
CN101835965B (zh) 直接喷射式内燃机
US8459229B2 (en) Piston bowl with spray jet targets
US6732703B2 (en) Internal combustion engine producing low emissions
US9328693B2 (en) Piston, engine and operating method for reduced production of particulate matter
CN102985658B (zh) 具有带螺旋分级的活塞凹坑的压燃式内燃机
CN105275697A (zh) 柴油发动机
US20040177828A1 (en) Three-reentrancy combustion chamber
US20090188481A1 (en) Squish-induced mixing-intensified low emissions combustion piston for internal combustion engines
DE102019130549A1 (de) Verfahren und systeme für einen kolben
KR20150107760A (ko) 피스톤
CN207892696U (zh) 柴油发动机燃烧室
Davydova et al. Compliance of modern agricultural tractors presented on Russian market with global emission standards
CN213981014U (zh) 用于内燃发动机的燃烧室的燃料喷射喷嘴和内燃发动机
US11047293B1 (en) Engine operating method and piston having non-reentrant combustion bowl and anti-sooting ramp
CN206707902U (zh) 一种节油器
JP2010031772A (ja) 群噴孔ノズル及びその設計諸元の選定方法
CN2851595Y (zh) 柴油机四气门缩口燃烧室
CN108518272A (zh) 发动机总成
CN202611853U (zh) 缩口深凹型柴油机燃烧室

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant