CN107795370A - 内燃机中的活塞平衡散热和燃烧特性 - Google Patents

Abstract

一种用于内燃机的活塞包括内部形成有燃烧碗的活塞顶、围绕燃烧碗周向延伸的活塞边缘，以及在燃烧碗与活塞边缘之间的散热倒角。该倒角通过到油道的尺寸、角度或材料厚度中的至少一个被构造成平衡散热与燃烧特性。公开了相关的方法。

Description

内燃机中的活塞平衡散热和燃烧特性

技术领域

本发明总体涉及内燃机的活塞，更具体地涉及活塞体，其具有邻接燃烧碗和活塞边缘的倒角，并构造成平衡活塞的散热与燃烧特性。

背景技术

在内燃机领域，已知有许多不同的操作策略和部件设计。在可以改变诸如加燃料、废气再循环、涡轮增压和可变气门致动等因素以产生不同的结果的方式相关方面，已经进行了数十年的研究和开发。除了这些和其它操作参数的变化之外，还在不同的方式方面进行了大量的研究和测试工作，诸如活塞的发动机部件可以成形和成比例，并且由各种材料形成。推动燃烧科学和相关研究进展的一个动机是希望减少发动机排气中某些排放物的相对数量，例如颗粒物质和氮氧化物或NOx。其它动机涉及改善或优化发动机性能、降低燃料消耗、限制部件磨损和/或疲劳、以及其它方面。

为了适应各种不同的发动机操作和占空比模式，所做的努力已经产生了许多发动机操作策略和组件设计，这些可以在现有技术中看到。对于经受相对恶劣的工作条件(比如高温和频繁的温度波动)的某些发动机，特别有兴趣研发的一个领域包括活塞几何形状和材料。其它研究工作一直致力于制备非常适合相对极端机械胁迫条件的活塞。数十年的燃烧科学、材料和机械工程研究大致表明，活塞形状和特征方面看似微小的变化都可能会明显地且通常不可预知地影响排放和效率等因素。伊斯利等人共同拥有的美国专利号8,978,621(“伊斯利”)涉及具有燃烧碗的活塞，以平衡燃烧效率和排放特性。伊斯利专利提出了具有复合燃烧碗和复合边缘的活塞，复合燃烧碗和复合边缘之间突然过渡，这些特征一起希望影响诸如颗粒物质和NOx的排放，而不会过度地牺牲燃料效率。

发明内容

一方面，操作内燃机的方法包括将内燃机内的气缸中的活塞朝向上止点位置移动，使得气缸中的压力升高至达到或高于自燃压力，并直接将燃料喷射进气缸。该方法进一步包括当气缸中的压力达到或高于自燃压力时，使燃料和空气的混合物自燃，以及通过自燃混合物的燃烧对形成活塞端面的材料进行加热。端面形成燃烧碗、围绕活塞纵向轴线周向延伸并且具有朝向燃烧碗倾斜的弯曲轮廓的环形活塞边缘、以及在燃烧碗和环形活塞边缘之间轴向和径向延伸的散热倒角。该方法进一步包括将形成端面的材料的热量散发到通过活塞内的油道输送的油。

另一方面，内燃机的活塞包括：活塞体，其被构造成在内燃机内的气缸中往复运动，以将气缸中的压力增加到自燃压力，以使燃料和空气的混合物自燃。活塞体限定了纵向轴线，其在第一轴向活塞主体端部(其包括在其内形成有燃烧碗的活塞端面和围绕燃烧碗周向延伸的环形活塞边缘)和第二轴向活塞主体端部(其包括活塞裙部和形成在活塞裙部内的活塞销)之间延伸。燃烧碗包括径向向外并轴向向下过渡到燃烧碗底板的凸起中心部分，以及从燃烧碗底板径向向外和轴向向上过渡到燃烧碗外边缘的凹形外部部分。环形活塞边缘包括弯曲轮廓，并朝向燃烧碗径向向内和轴向向下倾斜。活塞体进一步具有形成在其内的油道，以及围绕纵向轴线周向延伸且在燃烧碗外边缘和环形活塞边缘之间轴向和径向延伸的倒角。倒角尺寸、倒角朝向或倒角和油道之间的活塞体材料的厚度中的至少一个被构造成使得活塞的油道中的油的散热与燃烧特性平衡。

又一方面，活塞顶包括活塞体顶部件，其被构造成与活塞体裙部件联接，以形成在其内具有油道并能够在内燃机内的气缸中往复运动的一体式活塞体，以将气缸内的压力增加至自燃压力，以使燃料和空气的混合物自燃。活塞体顶部件限定了纵向轴线，并且包括在其内形成有燃烧碗的活塞端面和围绕燃烧碗周向延伸的环形活塞边缘。燃烧碗包括径向向外并轴向向下过渡到燃烧碗底板的凸起中心部分，以及从燃烧碗底板径向向外并轴向向上过渡到燃烧碗外边缘的凹形外部部分。环形活塞边缘包括弯曲轮廓，并朝向燃烧碗径向向内并轴向向下倾斜。活塞体顶部件进一步包括围绕纵向轴线周向延伸、且在燃烧碗外边缘和环形活塞边缘之间轴向和径向延伸的倒角。倒角尺寸、倒角朝向或形成倒角的活塞体顶部件的材料的厚度中的至少一个被构造成平衡活塞的油道中的油的散热和燃烧特性。

附图说明

图1是根据一个实施例的内燃机的剖面侧视图；

图2是根据一个实施例的活塞的剖面侧视图；以及

图3是图2的活塞的一部分的剖面侧视图。

具体实施方式

参考图1，示出了根据一个实施例的内燃机10。内燃机10(以下称为“发动机10”)可以是压缩点火柴油发动机，其包括发动机壳体12和联接到发动机壳体12的发动机缸盖14。根据常规四冲程发动机循环，多个气体交换阀18可以至少部分地布置在发动机缸盖14内，并且可以以常规方式移动，以使空气进入发动机壳体12内形成的气缸16中，并使排气从气缸16排出。根据图1所示，气体交换阀18中的任一个可以被理解为进气阀或排气阀。发动机10可以进一步被直接喷射，为此，其包括布置在发动机缸盖14内并延伸到气缸16中的燃料喷射器20，以在其内直接喷射燃料。虽然图1中仅示出了一个气缸16，但是发动机10通常是具有4、6、8、10、12或更多个发动机气缸的多缸发动机。发动机壳体12中形成的多个气缸中的每一个可以与至少一个进气阀和至少一个排气阀以及燃料喷射器相关联。在其它实施例中，可以使用喷口设计或一些其它的燃料喷射或燃料输送策略。类似于可以是发动机10的一部分的任何其它活塞和气缸，活塞22可以按常规的方式在气缸16内的下止点位置和上止点位置之间移动。

活塞22可以与布置在活塞销孔50内的活塞销24联接，该活塞销又与曲轴(未示出)相联接的连杆26联接。活塞环38被示出为布置在活塞22上。尽管图1中未示出气缸套，但本领域技术人员将理解，通常将使用气缸套，使得活塞22实际上在发动机壳体12内布置的气缸套内往复运动。发动机10还包括喷油器52，其布置和定向成以已知的方式朝向活塞22的下侧喷油，以用于冷却和润滑目的。活塞22可以进一步包括限定了纵向轴线36的复合活塞体30，其包括活塞体顶部件32、活塞体裙部件34和将活塞体顶部件32附接到活塞体裙部件34的焊缝35。

发动机10在使用期间可能经历许多操作条件，包括压缩比可能大于15:1以及燃烧期间的缸内压力仍然很高，以及发动机气缸内的温度可能经常超过500℃。尽管发动机10及其内使用的部件不限于任何特定的操作策略或一组操作条件，但是本发明的教导可以在经历相对较高温度(通常高于450摄氏度，且在许多情况下高于500摄氏度)的发动机中发现特定应用。可以设想，形成活塞体30的材料可以被加热到约515℃至约535℃，或者可能更高的温度。从下面的描述中将进一步显而易见的是，活塞22可以被独特地构造成耐受苛刻的操作条件，特别是相对于上述温度极限和热循环。发动机10可以是相对较大缸径的柴油发动机，具有的发动机缸径为约100mm至约200mm，尽管本发明在这方面不受限制。

现在还参考图2，示出了活塞22，图中示出了其它特征。应当理解，活塞体30被构造成在气缸16内往复运动，以将气缸16中的压力增加到自燃压力，以使燃料和空气的混合物(比如，直接喷射的柴油馏出物燃料)自燃。活塞主体30限定了纵向轴线36，其在第一轴向活塞主体端部38和第二轴向活塞主体端部46之间延伸。第一轴向活塞主体端部38包括在其内形成有燃烧碗42的活塞端面40和围绕燃烧碗42周向延伸的环形活塞边缘44。第二轴向活塞体端部46包括活塞裙部48和形成在活塞裙部48中的活塞销孔50。燃烧碗42包括凸起中心部分56，其径向向外并轴向向下过渡到燃烧碗底板58，以及凹形外部部分60，其从燃烧碗底板58径向向外和轴向向上过渡到燃烧碗外边缘62。环形活塞边缘44包括弯曲轮廓，并朝向燃烧碗42径向向内并轴向向下倾斜。环形边缘44的最外部分可以具有平坦的轮廓。活塞体30进一步具有形成在其内的油道54，其部分地由大致与燃烧碗42相对布置的后侧冷却表面64限定。活塞体30进一步还包括围绕纵向轴线36周向延伸且在燃烧碗外边缘62和环形活塞边缘44之间轴向和径向延伸的散热倒角66。倒角66的尺寸、倒角66的朝向、或倒角66与油道54之间的活塞主体30的材料的厚度中的至少一个被构造成平衡活塞22的油道54中的油的散热与燃烧特性。

现在还参考图3，在实际的实施策略中，倒角66的延伸宽度160可以大于环形活塞边缘44的延伸宽度170的10％，并且可以是延伸宽度170的约10％至约20％。在图3中，示出了倒角66和油道54之间延伸的材料的第一厚度130，其表示倒角66和后侧冷却表面64之间的最短距离。材料的第二厚度140在燃烧碗42和油道54之间延伸，表示燃烧碗42和后侧冷却表面64之间的最短距离。材料的第三厚度150在环形活塞边缘44与油道54和后侧冷却表面64之间延伸最短距离。在又一个实际实施策略中，第一厚度130可以是第二厚度140和第三厚度150的约150％或以下，且可以是第二厚度140和第三厚度150的约100％至约150％。更具体地，第一厚度130可以是第二厚度140和第三厚度150的约110％或以下。在某些实施例中，延伸宽度160可以小于第一厚度130。

图2中还示出了活塞22的某些其它尺寸属性，包括外径尺寸100、倒角66与垂直于纵向轴线36定向的水平面之间的角度90、以及由环形边缘44限定的半径68。外径尺寸100可以是约120mm至约160mm。角度90可以是约40°至约50°。同样，倒角66和纵轴36之间的角度也将被理解为约40°至约50°。半径68可以是约60mm至约80mm，且可以大于由燃烧碗42的凹形外部部分60限定的第二半径70。图2中还示出了燃烧碗的直径尺寸110，其可以是约90mm至约110mm，碗深度尺寸120可以是约15mm至约25mm。还示出了水平面和大致垂直向上并大致与燃烧碗42的外部部分60的最陡部分相切延伸的线之间的角度80，其中外部部分60在燃烧碗边缘62处与倒角66相交。角度80可以是约90度或以上，使得燃烧碗42具有非凹入轮廓。非凹入轮廓可以将燃烧气体向外朝向发动机壳体12和/或气缸套引导，远离发动机缸盖14和气体交换阀18。

如上所述，活塞22被构造成(包括通过倒角66)平衡散热与燃烧特性。本领域技术人员将认识到，活塞几何形状特别是燃烧碗和活塞边缘的几何形状的相对微小的变化都可能影响燃烧特性，例如颗粒物质的产生、氮氧化物或NOx的产生以及燃料效率。本领域技术人员还将意识到，改变某些缸内条件(包括温度和压力)可能通常不可预测地影响前述和其它燃烧特性以及给定活塞的结构和/或材料完整性和热疲劳寿命。还将进一步认识到，大部分的燃烧能量被转化为活塞的动能，然而，一些燃烧能量被转移到形成活塞和其它发动机硬件的材料的热能，并最终至少部分地消散到冷却油。

如本文中所述，可以在构造活塞22时采用某些最佳或目标材料厚度、不同厚度之间的范围和相对比例。这些材料厚度可以影响通过油道54输送的油的散热程度和速率。倒角66可以被理解为缩短了活塞端面40的至少一部分与油道54间隔开的距离。如果第一厚度130进一步减小，例如具有更大或更深的倒角，那么热量可以通过油道54相对更快地消散到给定体积或流量的油。然而，将形成活塞体30的材料的热量过快地消散到油中可能会使油升温过多，最终导致焦化或其它问题。如果热量不能足够有效地消散，例如倒角66不够大或不够深，那么形成活塞体30的材料可能被加热到超过设计的温度或者到材料的最小加速热疲劳温度。活塞端面的不同部分的最佳材料厚度和厚度的变化也可以部分地由结构规范来规定。变化过大或倒角角度太大或太浅可能导致散热不均匀、散热不足、热疲劳敏感性增加、或其它问题。与倒角66的散热能力同时受关注的是颗粒物质的生成、NOx的生成，颗粒物质和NOx之间的平衡以及燃料效率。如本文所讨论的，关于活塞设计的看似微小的变化可能对这种燃烧特性具有相对较大且通常不可预测的影响。

工业实用性

参考附图，通常操作内燃机10可以包括在相应的气缸16中将活塞22以及诸如发动机10中可能包括的其它活塞朝向上止点位置移动，使得气缸16中的压力增加到高于自燃压力。在气缸16中的压力刚好增加到或超过自燃压力之前或之后，可以操作燃料喷射器20以将燃料直接喷射到气缸16中。直接喷射的燃料与空气混合可以在气缸16内特别是在燃烧碗42内自燃。通过喷射燃料的燃烧产生的能量释放，自燃混合物的燃烧可以对形成活塞22的端面40的材料进行加热。形成活塞22的端面40和其它部分的材料的热量可以散发到通过油道54输送的油中。特别地，散热可以进一步包括将形成活塞端面40的材料的热量散发到顶部32和活塞22内形成油道54的后侧冷却表面64所接触的油。同时，喷油器52可以将油连续喷射到通向油道54的入口(未示出)中，在油道54中被加热的喷射油通过出口(未示出)排出，通常在通过油冷却剂换热器或另一种合适的油冷却器装置之后到达油槽。

由于冷却能力的改进，可以在使得发动机10具有比某些其它已知发动机相对更高的功率密度的条件下操作发动机10和本文中构想的其它发动机。在实际的实施策略中，形成端面40的材料的加热可以包括将材料加热至约450℃或更高的温度，并且在某些情况下将材料加热至约515℃至约535℃的温度。在这种情况下操作发动机10，可以通过燃料和空气的自燃燃料的燃烧，以约2500千帕斯卡或更大的制动平均有效压力产生每缸约130千瓦或更大功率的发动机10的功率输出。如本文所述的散热可以进一步包括将发动机10的功率输出的大约8％或以下转移到通过油道54输送的油。在一个实施例中，可以通过油道54将内燃机10每千瓦时运转约5千克油或以下的流量的油进行输送。

应当理解，以上对内燃机10的操作的描述仅是相对高性能应用的一个实例。在这种情况下，活塞边缘温度至少可以在相对较短的时间内上升高达550摄氏度。在其它情况下，发动机10可以在更高的功率输出或更低的功率输出下长时间运行。本发明被构想成使得使得某些气缸以约1900千帕斯卡的制动平均有效压力以每个气缸约75千瓦或更大的功率输出连续运行几千小时。这样的操作参数可以在与上面讨论的类似的油和油流量的功率输出转换下获得。

本说明书仅用于说明的目的，并且不应被解释为以任何方式缩小本发明的广度。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的完整和公正的范围和精神的情况下，可以对当前公开的实施例进行各种修改。通过研究附图和所附权利要求，其它方面、特征和优点将显而易见。

Claims (10)

1.一种操作内燃机的方法，其包括：

将所述内燃机中的气缸中的活塞向上止点位置移动，使得所述气缸中的压力增加至达到或超过自燃压力；

将燃料直接喷射到所述气缸中；

当所述气缸中的压力等于或高于所述自燃压力时，使所述燃料和空气的混合物自燃；

通过所述自燃混合物的燃烧，对形成所述活塞的端面的材料进行加热，所述端面形成燃烧碗、围绕纵向活塞轴线周向延伸并具有朝向所述燃烧碗倾斜的弯曲轮廓的环形活塞边缘，以及在所述燃烧碗和所述环形活塞边缘之间轴向和径向延伸的散热倒角；以及

将形成所述端面的所述材料的热量散发到通过所述活塞内的油道输送的油。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述散热进一步包括将形成所述活塞端面的所述材料的热量散发到与所述活塞顶内形成所述油道的后侧冷却表面相接触的油；

其中，所述散热进一步包括通过所述散热倒角和所述后侧冷却表面之间形成所述端面的所述材料的第一厚度、通过所述燃烧碗和所述后侧冷却表面之间的所述材料的第二厚度，以及通过所述环形活塞边缘和所述后侧冷却表面之间的所述材料的第三厚度来散热；

其中所述第一厚度为所述第二厚度和所述第三厚度中的每一个的约100％至约150％。

3.根据权利要求2所述的方法，其中形成所述端面的所述材料的所述加热进一步包括将所述材料加热至约515℃至约535℃的温度。

4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括通过所述燃料和空气的自燃混合物的燃烧，以约2500千帕斯卡或更大的制动平均有效压力产生所述内燃机的约130千瓦或更大的功率输出；

其中所述散热进一步包括将所述内燃机的功率输出的约8％或以下转移到所述油中；以及

进一步包括通过所述油道以所述内燃机每千瓦时运转约5千克油或以下的流量将油进行输送。

5.一种用于内燃机的活塞，其包括：

活塞体，其被构造成在所述内燃机中的气缸中往复运动，以将所述气缸中的压力增加到使燃料和空气的混合物发生自燃的自燃压力，所述活塞体限定了纵向轴线，所述纵向轴线在其在第一轴向活塞主体端部和第二轴向活塞主体端部之间延伸，第一轴向活塞主体端部包括在其内形成有燃烧碗的活塞端面和围绕所述燃烧碗周向延伸的环形活塞边缘，并且第二轴向活塞主体端部包括活塞裙部和形成在所述活塞裙部内的活塞销；

所述燃烧碗包括径向向外并轴向向下过渡到燃烧碗底板的凸起中心部分，以及从所述燃烧碗底板径向向外并轴向向上过渡到燃烧碗外边缘的凹形外部部分；

所述环形活塞边缘包括弯曲轮廓，并朝向所述燃烧碗径向向内和向下倾斜；以及

所述活塞体进一步具有形成在其内的油道，以及围绕所述纵向轴线周向延伸且在所述燃烧碗外边缘和所述环形活塞边缘之间轴向和径向延伸的倒角，且所述倒角的尺寸、所述倒角的朝向或所述倒角与所述油道之间的所述活塞体材料的厚度中的至少一个被构造成平衡所述活塞的所述油道内的油的散热和燃烧特性。

6.根据权利要求5所述的活塞，其中所述倒角的延伸宽度是所述环形活塞边缘的延伸宽度的约10％至约20％，并且是所述倒角和所述油道之间的材料厚度的约50％或以上；以及

其中所述倒角的延伸宽度小于所述倒角和所述油道之间的材料的所述厚度。

7.根据权利要求6所述的活塞，其中所述材料的所述厚度包括第一厚度，且其中所述材料的第二厚度在所述燃烧碗和所述油道之间延伸，且所述材料的第三厚度在所述环形活塞边缘和所述油道之间延伸；

其中所述第一厚度是所述第二厚度和所述第三厚度的约100％至约150％；以及

其中所述第一厚度是所述第二厚度和所述第三厚度的约100％至约110％。

8.根据权利要求6所述的活塞，其中所述活塞体的外径尺寸为约120毫米至约160毫米，所述倒角和所述纵向轴线之间的角度为约40度至约50度，所述环形碗边缘限定的半径为约60毫米至约80毫米；以及

其中所述燃烧碗具有从约90毫米至约110毫米的碗直径尺寸和可凹入轮廓。

9.一种活塞顶，包括：

活塞体顶部件，其构造成用于与活塞体裙部件联接，以形成在其内具有油道且能够在内燃机中的气缸内往复运动的一体式活塞体，以将所述气缸中的压力增加到自燃压力，使燃料和空气混合物自燃；

所述活塞体顶部件限定了纵向轴线，并且包括在其内形成有燃烧碗的活塞端面和围绕所述燃烧碗周向延伸的环形活塞边缘；

所述燃烧碗包括径向向外并轴向向下过渡到燃烧碗底板的凸起中心部分，以及从所述燃烧碗底板径向向外且轴向向上过渡到燃烧碗外边缘的凹形外部部分；

所述环形活塞边缘包括弯曲轮廓，并朝向所述燃烧碗径向向内和向下倾斜；以及

所述活塞体顶部件还包括倒角，其围绕所述纵向轴线周向延伸且在所述燃烧碗外边缘和所述环形活塞边缘之间轴向和径向延伸，且所述倒角的尺寸、所述倒角的朝向或形成所述倒角的活塞体顶部件的材料的厚度中的至少一个被构造成平衡所述活塞的所述油道中的油的散热和燃烧特性。

10.根据权利要求9所述的活塞顶，其中：

所述厚度包括第一厚度，且其中所述材料的第二厚度在所述燃烧碗和被构造成形成所述油道的所述活塞体顶部件的后侧冷却表面之间延伸，且所述材料的第三厚度在所述环形活塞边缘和所述后侧冷却表面之间延伸；

所述第一厚度是所述第二厚度和所述第三厚度中的每一个的约100％至约150％；以及

所述倒角的延伸宽度是所述环形活塞边缘的延伸宽度的约10％至约20％，且是所述第一厚度的约50％或以上。