CN107917014B - 用于发动机的活塞的燃烧碗 - Google Patents

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Abstract

一种用于发动机的活塞可以包括活塞主体。活塞主体可以包括围绕活塞的中心纵向轴线对称地设置的活塞顶。燃烧碗可以凹入到活塞主体中，并且可以相对于活塞顶轴向向内偏移。中心碗顶点可以从燃烧碗轴向突出，并且可以相对于活塞顶轴向向内偏移。第一碗顶点可以从燃烧碗轴向突出，并且可以相对于活塞顶轴向向内设置。第二碗顶点可以从燃烧碗轴向突出，并且可以相对于第一碗顶点径向向内设置且可以径向地设置在第一碗顶点与中心碗顶点之间。第二碗顶点可以相对于中心碗顶点轴向向内偏移。

Description

用于发动机的活塞的燃烧碗
技术领域
本发明总体上涉及用于发动机的活塞，并且更具体地涉及这种活塞的燃烧碗。
背景技术
内燃机中的燃料燃烧通常产生了氮氧化物(NOx)和颗粒物质，例如烟尘和烟灰。但是，通常都不希望出现这种废气副产品，并且还不断地在努力进一步降低这些废气副产物的水平。然而，研发将这些废气副产品水平降至最低的方式通常都涉及到实现可接受的降低水平与维持燃烧效率之间的平衡。
为了在不牺牲燃烧效率的前提下减少NOx和颗粒物质的产生，已经尝试了各种燃烧室设计。例如，通常设置在活塞的燃烧面中并限定燃烧室的一部分的燃烧碗的结构形状可以构造为在燃烧室中产生期望的燃料和空气分配。
日本专利申请公开JP2004190573A('573公开)公开了一种用于发动机的燃烧室，其具有形成在活塞的顶表面中的空腔。该空腔包括提供台阶形状的凹槽。燃烧室的台阶形状的目的在于通过将燃料散发到空腔的凹槽来促进燃料与空气的混合。虽然'573公开的燃烧室的目的是减少NOx的产生，但是仍然寻求在减少颗粒物质这一方面的改进。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于发动机的活塞。活塞可以包括活塞主体，而活塞主体包括活塞顶。活塞顶可以围绕活塞的中心纵向轴线对称地设置。燃烧碗可以凹入到活塞主体中，并且可以相对于活塞顶轴向向内偏移。燃烧碗可以围绕中心纵向轴线对称地设置。中心碗顶点可以从燃烧碗轴向突出。中心碗顶点可以围绕中心纵向轴线对称地设置，并且可以相对于活塞顶轴向向内偏移。第一碗顶点可以从燃烧碗轴向突出，并且可以围绕中心纵向轴线对称地设置。第一碗顶点可以相对于活塞顶径向向内设置。第二碗顶点可以从燃烧碗轴向突出，并且可以围绕中心纵向轴线对称地设置。第二碗顶点可以相对于第一碗顶点径向向内设置，并且可以在第一碗顶点与中心碗顶点之间径向地设置。第二碗顶点可以相对于中心碗顶点轴向向内偏移。
根据本发明的另一个方面，提供了一种发动机。发动机可以包括发动机壳体，而发动机壳体包括设置在其中的气缸。气缸盖可以联接到发动机壳体。气缸盖可以包括穿过其设置的燃料喷射器。燃料喷射器可以构造为将燃料喷射到气缸中。活塞可以可操作地设置在气缸中，并且可以包括中心纵向轴线。燃烧碗可以凹入到活塞中，并且可以围绕中心纵向轴线对称地设置。燃烧碗可以包括从其中心突出的中心顶点、第一碗顶点、以及径向设置在中心碗顶点与第一碗顶点之间的第二碗顶点。第二碗顶点可以相对于中心碗顶点轴向向内偏移。
根据本发明的又一个方面，提供了一种用于发动机的活塞。活塞可以包括活塞主体，而活塞主体包括活塞顶。活塞顶可以围绕活塞的中心纵向轴线对称地设置。燃烧碗可以凹入到活塞主体中，并且可以相对于活塞顶轴向向内偏移。燃烧碗可以围绕中心纵向轴线对称地设置。中心碗顶点可以从燃烧碗轴向突出。中心碗顶点可以围绕中心纵向轴线对称地设置，并且可以相对于活塞顶轴向向内偏移。中心碗顶点可以包括中心碗顶点深度。第一碗顶点可以从燃烧碗轴向突出，并且可以围绕中心纵向轴线对称地设置。第一碗顶点可以包括第一碗顶点半径和大于中心碗顶点深度的第一碗顶点深度。第二碗顶点可以从燃烧碗轴向突出，并且可以围绕中心纵向轴线对称地设置。第二碗顶点可以包括小于第一碗顶点半径的第二碗顶点半径，并且可以包括大于第一碗顶点深度的第二碗顶点深度。
通过结合附图来阅读下面的详细描述，将更容易理解本发明的这些及其他方面和特征。本文描述的不同实施例的各方面可以相互之间进行组合或替代。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的示例性车辆的透视图；
图2是根据本发明的实施例的发动机的发动机壳体的局部剖视图，其示出了可操作地设置在气缸中的活塞；
图3是根据本发明的实施例的活塞的燃烧碗的剖视图；
图4是根据本发明的实施例的活塞的俯视平面图，其示出了活塞的燃烧碗；以及
图5是示出了可以根据本发明的教导而实践的各步骤的示例性顺序的框图。
应当注意，附图仅示出了典型的实施例，因此不应将其视为对本发明或权利要求的范围的限制。相反，本发明的概念可以应用于其他同等有效的实施例中。此外，附图并不一定按比例绘制，重点通常是落在对某些实施例的原理所进行的图示上。
具体实施方式
现参考图1，根据本发明构造的示例性车辆通常由附图标记10表示。虽然被示例性地示出为越野载重车，但是车辆10可以是在各种行业中使用的任何类型的车辆，例如但不限于采矿、土方作业、农业、石油、电力和建筑等等，仅举几个例子。车辆10包括发动机12。发动机12可以是任何类型的内燃机，例如但不限于柴油发动机、燃气涡轮发动机、船用发动机、发电机组以及行业内众所周知的其他发动机。
参考图2，发动机12包括发动机壳体14或发动机缸体。气缸盖16联接到发动机壳体14。发动机壳体14包括设置在其中的气缸18。活塞20可操作地设置在气缸18中，以便在其中往复运动。气缸18可以包括与活塞20的中心纵向活塞轴线24对准的中心纵向气缸轴线22。
活塞20包括在活塞20的第一轴向区域26与第二轴向区域28之间延伸的活塞主体21。活塞20的第一轴向区域26包括凹入到活塞主体21中的燃烧碗30。活塞20的第一轴向区域26和燃烧碗30面向气缸盖16布置在气缸18内。此外，发动机12包括可以由气缸18的一部分、气缸盖16和燃烧碗30共同限定的燃烧室32。发动机12还包括燃料喷射器34，该燃料喷射器34穿过气缸盖16设置，从而使得燃料喷射器34的多个喷嘴36布置在燃烧室32中。燃料喷射器34构造为经由多个喷嘴36将燃料朝向燃烧碗30喷射到燃烧室32中。在一些实施例中，燃料喷射器34围绕中心纵向气缸轴线22对称地设置。
参考图3和图4，活塞20的燃烧碗30围绕中心纵向活塞轴线24对称地设置。活塞20的活塞主体21包括也围绕中心纵向活塞轴线24对称地设置的活塞顶38。活塞顶38包括外边缘40、内唇缘42和设置在外边缘40与内唇缘42之间的面44。如图4所示，外边缘40包括从中心纵向活塞轴线24测量的外半径46，并且内唇缘42包括从中心纵向活塞轴线24测量的内半径48。内唇缘42设置在外边缘40的径向内侧，使得内唇缘42的内半径48小于外边缘40的外半径46。在一些实施例中，内唇缘42是凸起的并且包括内唇缘曲率半径43。在一些实施例中，内唇缘曲率半径43在大约0mm至4mm的范围内。在其他实施例中，内唇缘曲率半径43为2.291mm。在一些实施例中，外半径46大约在84mm至85mm的范围内，而内半径48大约在76mm至79mm的范围内。在一些其他实施例中，外半径46为84.072mm，而内半径48为76.538mm。
如图3所示，燃烧碗30包括多个顶点50。在一些实施例中，多个顶点50包括中心碗顶点52、第一碗顶点54和第二碗顶点56。由于燃烧碗30从活塞顶38轴向向内凹入到活塞20的活塞主体21中，因此，多个顶点50中的每一个顶点从活塞顶38轴向向内地布置并且在轴向上面向活塞顶的方向布置。这样，在多个顶点50布置在活塞顶38的下方的情况下，中心碗顶点52包括相对于活塞顶38的面44的轴向位置而轴向地测量的中心碗顶点深度58。在一些实施例中，中心碗顶点深度58在4mm至6mm的范围内。在一些其他实施例中，中心碗顶点深度为5.5mm。
类似地，第一碗顶点54包括相对于活塞顶38的面44的轴向位置而轴向地测量的第一碗顶点深度60，而第二碗顶点56包括相对于活塞顶38的面44的轴向位置而轴向地测量的第二碗顶点深度62。在一些实施例中，第一碗顶点深度60在8mm至9mm的大致范围内。在其他实施例中，第一碗顶点深度60为8.7mm。在一些实施例中，第二碗顶点深度62在15mm至19mm的大致范围内。在其他实施例中，第二碗顶点深度62为18.766mm。此外，如图4所示，第一碗顶点54围绕中心纵向活塞轴线24对称地设置，并且包括从中心纵向活塞轴线24测量的第一碗顶点半径64。在一些实施例中，第一碗顶点半径64在63mm至67mm的大致范围内。在其他实施例中，第一碗顶点半径64为63.156mm。第二碗顶点56围绕中心纵向活塞轴线24对称地设置，并且包括从中心纵向活塞轴线24测量的第二碗顶点半径66。在一些实施例中，第二碗顶点半径66在40mm至46mm的大致范围内。在其他实施例中，第二碗顶点半径66为40.461mm。
参考图3，中心碗顶点52基本上是圆锥形的，并且在朝向活塞顶38的轴向方向上从燃烧碗30向外突出。中心碗顶点52还包括中心碗顶点曲率半径68。在一些实施例中，中心顶点曲率半径68在大约0mm至20mm的范围内。在其他实施例中，中心顶点曲率半径68为16mm。中心碗顶点52包括中心顶点角度70。在一些实施例中，中心顶点角度70在大约100°至140°的范围内。在其他实施例中，中心顶点角度70为120°。
仍然参考图3，第一碗顶点54基本上是凸起的，并且也在朝向活塞顶38的轴向方向上从燃烧碗30突出。第一碗顶点54包括第一碗顶点曲率半径72。在其他实施例中，第一碗顶点曲率半径72在大约0mm至4mm的范围内。在其他实施例中，第一碗顶点曲率半径72为1.3mm。第二碗顶点56基本上是凸起的，并且也在朝向活塞顶38的轴向方向上从燃烧碗30突出。第二碗顶点56包括第二碗顶点曲率半径74。在一些实施例中，第二碗顶点曲率半径74在大约0mm至4mm的范围内。在其他实施例中，第二碗顶点曲率半径74为1.3mm。
此外，燃烧碗30包括多个凹部76。在一些实施例中，多个凹部76包括第一凹部78、第二凹部80和第三凹部82。第一凹部78基本上是凹形的并且包括第一凹部曲率半径84。在一些实施例中，第一凹部曲率半径84在大约9mm至11mm的范围内。在其他实施例中，第一凹部曲率半径为10.163mm。第一凹部78凹入到活塞20的活塞主体21中并从内唇缘42过渡到第一碗顶点54。第二凹部80也基本上是凹形的并且包括第二凹部曲率半径86。在一些实施例中，第二凹部曲率半径86在大约15mm至17mm的范围内。在其他实施例中，第二凹部曲率半径86为16mm。第二凹部80凹入到活塞20的活塞主体21中并从第一碗顶点54过渡到第二碗顶点56。第三凹部82也基本上是凹形的并且包括第三凹部曲率半径88。在一些实施例中，第三凹部曲率半径88在大约15mm至17mm的范围内。在其他实施例中，第三凹部曲率半径88为16mm。第三凹部82凹入到活塞20的活塞主体21中并从第二碗顶点56过渡到中心碗顶点52。
第一凹部78包括相对于活塞顶38的面44的轴向位置而轴向地测量的第一凹部深度90。在一些实施例中，第一凹部深度90在大约8mm至9mm的范围内。在其他实施例中，第一凹部深度90为8.821mm。第二凹部80包括相对于活塞顶38的面44的轴向位置而轴向地测量的第二凹部深度92。在一些实施例中，第二凹部深度92在大约16mm至20mm的范围内。在其他实施例中，第二凹部深度92为16.021mm。第三凹部82包括相对于活塞顶38的面44的轴向位置而轴向地测量的第三凹部深度94。在一些实施例中，第三凹部深度94在大约19mm至21mm的范围内。在其他实施例中，第三凹部深度94为20.674mm。
在一些实施例中，如图3和图4中示例性所示，第一碗顶点半径64小于内半径48，而第二碗顶点半径66小于第一碗顶点半径64，使得第一碗顶点54相对于活塞顶38的内唇缘42朝向中心碗顶点52径向向内偏移(例如，内唇缘42相对于第一碗顶点54径向向外偏移)，并且第二碗顶点56相对于第一碗顶点54朝向中心碗顶点52径向向内偏移，使得第二碗顶点56径向设置在第一碗顶点54与中心碗顶点52之间。在这种实施例中，第一碗顶点深度60大于中心碗顶点深度58，并且第二碗顶点深度62大于第一碗顶点深度60(并且大于中心碗顶点深度58)，使得第一碗顶点54相对于中心碗顶点52远离活塞顶38的内唇缘42的轴向位置而轴向向内偏移，而第二碗顶点56相对于第一碗顶点54远离活塞顶38的内唇缘42的轴向位置而轴向向内偏移。此外，在这种实施例中，第一凹部深度90小于第二凹部深度92，而第二凹部深度小于第三凹部深度94，使得第二凹部80相对于第一凹部78轴向向内偏移，而第三凹部82相对于第二凹部80轴向向内偏移。
工业实用性
通常，本发明可以适用于在用于任意数量的行业环境的发动机中采用的活塞，例如但不限于船舶推进、土方作业、建筑和农业环境。作为非限制性示例，发动机12可以是柴油发动机。通过利用本文公开的系统和方法，活塞20的燃烧碗30提供了燃烧室32，当发动机12在部分负荷下操作时以及当发动机12在全负荷下操作时，该燃烧室可以减少颗粒物质和烟尘。此外，本发明的燃烧碗30还可以优化低烟排放并降低气缸盖16的温度。
例如，在发动机12的操作期间，燃烧碗30的多个顶点50可以使压缩到燃烧室32中的空气的湍流增加，直到活塞20的压缩冲程结束。与其他设计相比，由于空气湍流的增加，使得经由燃料喷射器34的多个喷嘴36而喷射到燃烧室32中的燃料可以出现更高效的燃烧，从而产生更少的颗粒物质和烟尘，特别是在发动机12的部分负荷操作期间。
此外，在一些实施例中，活塞20的燃烧碗30可以适于与后制造发动机一起使用。图5示出了各步骤的示例性顺序的框图500，所述步骤可以执行来将后制造发动机改良来具有包括燃烧碗的活塞。如框510所示，确定后制造发动机的燃料喷射器34的喷射角度。在确定了喷射角度的情况下，基于喷射角度来确定燃烧碗30的尺寸，如框512所示。如框514所示，燃烧碗30设置在活塞20中以包括以下顶点：从燃烧碗30轴向突出的并包括中心碗顶点深度58的中心碗顶点52、从燃烧碗30轴向突出的并包括第一碗顶点半径64和大于中心碗顶点深度58的第一碗顶点深度60的第一碗顶点54；以及从燃烧碗30轴向突出的并包括小于第一碗顶点半径64的第二碗顶点半径66和包括大于第一碗顶点深度60的第二碗顶点深度62的第二碗顶点56。如框516所示，用包括燃烧碗30的活塞20来更换后制造发动机的活塞。

Claims (10)

1.一种用于发动机的活塞，所述活塞包括：
包括活塞顶的主体，所述活塞顶围绕所述活塞的中心纵向轴线对称地设置；
燃烧碗，其凹入到所述主体中并相对于所述活塞顶轴向向内偏移，所述燃烧碗围绕所述中心纵向轴线对称地设置；
中心碗顶点，其从所述燃烧碗轴向突出，所述中心碗顶点围绕所述中心纵向轴线对称地设置并相对于所述活塞顶轴向向内偏移；
第一碗顶点，其从所述燃烧碗轴向突出并围绕所述中心纵向轴线对称地设置，所述第一碗顶点相对于所述活塞顶径向向内设置；以及
第二碗顶点，其从所述燃烧碗轴向突出并围绕所述中心纵向轴线对称地设置，所述第二碗顶点相对于所述第一碗顶点径向向内设置并且径向地设置在所述第一碗顶点与所述中心碗顶点之间，所述第二碗顶点相对于所述中心碗顶点轴向向内偏移，
其中所述第一碗顶点包括在0mm至4mm的范围内的第一碗顶点曲率半径，第二碗顶点包括在0mm至4mm的范围内的第二碗顶点曲率半径，中心碗顶点包括在0mm至20mm的范围内的中心顶点曲率半径、在100°至140°的范围内的中心顶点角度以及在4mm至6mm的范围内的中心碗顶点深度。
2.根据权利要求1所述的活塞，其中所述第一碗顶点相对于所述中心碗顶点轴向向内偏移，并且所述第二碗顶点相对于所述第一碗顶点轴向向内偏移。
3.根据权利要求2所述的活塞，其中所述活塞顶包括相对于所述第一碗顶点径向向外偏移的内唇缘。
4.根据权利要求3所述的活塞，还包括第一凹部、第二凹部和第三凹部，所述第一凹部凹入到所述主体中并且从所述内唇缘向所述第一碗顶点过渡，所述第二凹部凹入到所述主体中并且从所述第一碗顶点向所述第二碗顶点过渡，并且所述第三凹部凹入到所述主体中并且从所述第二碗顶点向所述中心碗顶点过渡。
5.根据权利要求4所述的活塞，其中所述第二凹部相对于所述第一凹部轴向向内偏移，并且所述第三凹部相对于所述第二凹部轴向向内偏移。
6.一种发动机，包括：
发动机壳体，其包括设置在其中的气缸；
气缸盖，其联接到所述发动机壳体，所述气缸盖包括穿过其设置的燃料喷射器，所述燃料喷射器构造为将燃料喷射到所述气缸中；
活塞，其可操作地设置在所述气缸中，所述活塞包括中心纵向轴线；以及
燃烧碗，其凹入到所述活塞中并且围绕所述中心纵向轴线对称地设置，所述燃烧碗包括从其中心突出的中心碗顶点、第一碗顶点以及径向设置在所述中心碗顶点与所述第一碗顶点之间的第二碗顶点，
其中所述第二碗顶点相对于所述中心碗顶点轴向向内偏移，
并且其中所述第一碗顶点包括在0mm至4mm的范围内的第一碗顶点曲率半径，第二碗顶点包括在0mm至4mm的范围内的第二碗顶点曲率半径，中心碗顶点包括在0mm至20mm的范围内的中心顶点曲率半径、在100°至140°的范围内的中心顶点角度以及在4mm至6mm的范围内的中心碗顶点深度。
7.根据权利要求6所述的发动机，其中所述第一碗顶点相对于所述中心碗顶点轴向向内偏移，并且所述第二碗顶点相对于所述第一碗顶点轴向向内偏移。
8.根据权利要求7所述的发动机，其中所述活塞还包括活塞顶，所述活塞顶包括相对于所述第一碗顶点径向向外偏移的内唇缘。
9.根据权利要求8所述的发动机，还包括第一凹部、第二凹部和第三凹部，所述第一凹部凹入到所述活塞中并且从所述内唇缘向所述第一碗顶点过渡，所述第二凹部凹入到所述活塞中并且从所述第一碗顶点向所述第二碗顶点过渡，并且所述第三凹部凹入到所述活塞中并且从所述第二碗顶点向所述中心碗顶点过渡。
10.根据权利要求9所述的发动机，其中所述第二凹部相对于所述第一凹部轴向向内偏移，并且所述第三凹部相对于所述第二凹部轴向向内偏移。
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