CN108603462A - 用于内燃机的活塞碗 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃机的活塞的活塞顶，所述活塞顶沿中心轴线在轴向方向上延伸并且从所述中心轴线在径向方向上向外延伸。所述活塞顶包括：环形表面，所述环形表面在所述轴向方向上在所述活塞顶的第一端处；以及活塞碗，所述活塞碗径向位于所述环形表面内并且相对于所述活塞顶的所述第一端凹入；所述活塞碗包括：凸起底板，所述凸起底板在所述活塞碗的径向中央区域中；弧形表面，所述弧形表面相对于所述凸起底板径向向外定位；以及唇缘倒角表面，所述唇缘倒角表面从所述弧形表面径向向外延伸并且从所述环形表面径向向内延伸。所述唇缘倒角表面的径向最内部分径向位于所述弧形表面的径向最外部分的内部。碗最大半径R最大被定义为所述活塞顶的所述中心轴线与所述环形表面的最内边缘之间在所述径向方向上的距离。碗高度H被定义为所述环形表面与所述活塞碗的最远离所述环形表面的表面之间在所述轴向方向上的距离。唇缘凹角被定义为在所述活塞顶的所述第一端处在所述径向方向上延伸的线与最靠近所述活塞顶的所述第一端的所述弧形表面的切线之间的锐角。所述碗最大半径R最大在所述碗高度H的2.3倍与3.2倍之间，并且所述唇缘凹角在40°与80°之间。

Description

用于内燃机的活塞碗
技术领域
本公开涉及内燃机领域，并且具体地涉及效率提高且排放减少的内燃机。
背景技术
提高发动机效率和减少排放是发动机制造商和用户的共同期望。
近年来，可能已致力于开发后处理系统，所述后处理系统被配置来处理从内燃机的燃烧室释放的排放物，以便将更少的排放物和/或不同化学组成的排放物释放到大气中。
后处理系统的使用可能增加制造和运行成本，并且有时可能增加燃料消耗。例如，在后处理系统需要特定温度来有效操作的情况下，可以简单地增加发动机的工作以向后处理系统提供热能，而不是因为需要发动机的曲轴的转动动能。
在此背景下，提供了一种用于内燃机的活塞的活塞顶，所述活塞顶沿中心轴线在轴向方向上延伸并且从所述中心轴线在径向方向上向外延伸，所述活塞顶包括：环形表面，所述环形表面在所述轴向方向上在所述活塞顶的第一端处；以及活塞碗，所述活塞碗径向位于所述环形表面内并且相对于所述活塞顶的所述第一端凹入；其中所述活塞碗包括：
凸起底板，所述凸起底板在所述活塞碗的径向中央区域中；
弧形表面，所述弧形表面相对于所述凸起底板径向向外定位；以及
唇缘倒角表面，所述唇缘倒角表面从所述弧形表面径向向外延伸并且从所述环形表面径向向内延伸，其中所述唇缘倒角表面的径向最内部分径向位于所述弧形表面的径向最外部分的内部；其中：
碗喉半径R1被定义为所述活塞顶的所述中心轴线与所述环形表面的最内边缘之间在所述径向方向上的距离；
碗高度H被定义为所述环形表面与所述活塞碗的最远离所述环形表面的表面之间在所述轴向方向上的距离；
唇缘凹角被定义为在所述活塞顶的所述第一端处在所述径向方向上延伸的线与最靠近所述活塞顶的所述第一端的所述弧形表面的切线之间的锐角；
所述碗喉半径R1在所述碗高度H的2.3倍与3.2倍之间；并且：
所述唇缘凹角在40°与80°之间
附图说明
图1示出了在内燃机气缸周期中的某一点处穿过其的横截面，其中气缸中的活塞最远离气缸的燃料喷射端；
图2示出了在图1所示的活塞的活塞顶的周期中的某一点处穿过其的横截面，其中活塞最靠近气缸的燃料喷射端；
图3是穿过活塞顶的一半的横截面的放大视图；
图4示出了活塞顶内的燃料喷射行为的表示；并且
图5示出了表示包括图1至图4中所示的各种活塞顶设计的喷射阻滞的烟灰容限的曲线图。
具体实施方式
图1示出了穿过内燃机(未示出)的气缸100的横截面。气缸可以包括内孔101。内孔101可以容纳活塞110。活塞110可以与气缸100的内孔101同轴，使得活塞110可在轴向方向上相对于气缸100移动。
气缸100可以包括位于气缸100的顶端102的燃料喷射器130。燃料喷射器130可以与气缸的内孔101同轴定位，使得由燃料喷射器130喷射的燃料可以在轴线处进入内孔101。燃料喷射器130可以包括燃料喷射器头(未示出)，以便根据所需的几何布置来分配燃料。
活塞110包括活塞顶120和活塞体(未示出，但是在图1的取向上位于活塞顶120的下方)。活塞顶120可位于活塞110的头端处，使得活塞110的活塞顶120面向燃料喷射器130。
气缸100还可以包括氧化剂入口140，用于选择性地允许氧化剂(诸如空气)进入以促进燃烧；以及排气口150，用于选择性地允许燃烧产物从气缸100释放。氧化剂入口140和排气口150可以位于气缸100的邻近燃料喷射器130的顶端102处。
在图1中，活塞110被相对于气缸110在其摆动周期中的位置处示出，所述位置最远离气缸100的顶端102。
图2示出了气缸110的顶端102的放大视图，并且其中活塞顶120邻近顶端102。这在位置110存在于气缸110中在最靠近气缸100的顶端102的位置中时发生。
参考图2的表示，活塞顶具有轴向方向和径向方向，所述轴向方向垂直地位于图2的取向上，所述径向方向水平地位于图2的取向上。活塞顶120可以在轴向方向上围绕中心轴线290旋转对称。当在气缸中在原位置时，活塞顶120的中心轴线290可以与燃料喷射器130的中心轴线同轴。
活塞顶120在轴向方向上包括位于活塞顶120的第一端280处的环形表面201，当在气缸中在原位置时，所述环形表面面向燃料喷射器130。环形表面201可以径向最远高中心轴线290。
活塞顶120还包括活塞碗210，所述活塞碗被径向地定位在环形表面201内并且相对于活塞顶的第一端280凹入。
活塞碗210包括位于活塞碗120的径向中心区域中的凸起底板220。活塞碗210还包括相对于凸起底板220径向向外定位的弧形表面230。活塞碗210还包括唇缘倒角表面240，所述唇缘倒角表面从弧形表面230径向向外延伸并且从环形表面201径向向内延伸。唇缘倒角240表面的径向最内部分245在弧形表面230的径向最外部分235的径向内侧。
如上所述，图2的表示示出了穿过活塞顶120的中心轴线290的横截面，并且在所述实施方案中，活塞顶120围绕中心轴线290旋转对称。因此，活塞碗210具有面向燃料喷射器130的方向的圆形喉部。活塞碗210具有碗喉半径R1，所述碗喉半径被定义为活塞顶120的中心轴线290与环形表面240的径向最内部分245之间在径向方向上的距离。
活塞碗210具有碗高度H，所述碗高度被定义为环形表面201与活塞碗的最远离环形表面201的表面231之间在轴向方向上的距离。在示出的实施方案中，活塞碗的最远离环形表面201的表面231位于弧形表面230的径向内点处，在所述径向内点处所述表面与凸起底板220相交。
唇缘凹入是指一种方式，其中被以速度的径向向外分量喷射到活塞碗中的燃料被至少部分地借助于活塞碗的几何形状而重新定向，以便获得速度的径向向内分量。这可以至少部分地借助于提供了径向路线的弧形表面230来实现，通过所述径向路线促进燃料从具有径向向外分量和轴向向下分量的方向流动到具有径向向内分量和轴向向上分量的方向(其中向上是朝向燃料喷射器130)。
唇缘凹角可以被定义为在活塞顶120的第一端280处在径向方向上延伸的线与最靠近活塞顶120的第一端280的弧形表面230的切线之间的锐角。
在图2的示出的实施方案中，凸起底板220包括朝向活塞顶120的第一端280渐缩的截头圆锥表面221以及在截头圆锥表面221的最靠近活塞顶的第一端280的端部中的突起部222。突起部222包括在截头圆锥表面221的锥形末端中的球形圆顶凹痕。截头圆锥表面221和突起部的中心轴线与活塞顶120的中心轴线290同轴，使得突起部直接面向燃料喷射器130。
参考图3，活塞顶120的一个示例性实施方案的尺寸如下：
就相对尺寸而言，具体地，碗喉半径R1是在碗高度H的2.3倍与3.2倍之间。此外并且相对于在使用时活塞顶120驻留在其中的气缸100的内孔101，活塞碗最大半径(R最大＝R1+L1)是在活塞碗120的最大轴向高度H2的2.3倍与3.2倍之间。
唇缘凹角在40°与80°之间，并且在图3的示出的实施方案中，唇缘凹角是61°。
工业应用
唇缘凹入特征、宽碗入口、唇缘凹角以及宽突起部角的组合有助于在喷射过程中提高缸内气体速度和燃料分布。在本公开的范围内的唇缘凹入可以导致产生局部湍流以促进空气燃料混合。唇缘倒角可以有助于经由喷射/碗相互作用来促进增加的均匀性和燃料分配的平衡。增加的缸内空气湍流导致空气和燃料更快速混合。这增加了在气缸内燃烧的燃料的比例。
本公开的各方面可以具体地涉及如在共轨中配有高压燃料系统的直接喷射压缩点火发动机，其中在高压下喷射燃料可以使其易于雾化，以便通过燃烧室中的流体的湍流而分散。
建模已表明，这些特征导致未燃烧燃料的减少，并且因此导致烟尘排放的减少，所述烟尘排放否则可能需要在后处理系统中处理，所述后处理系统被配置来接收来自气缸的废气以便进行处理。此外，已表明这种未燃烧燃料的减少适用于广泛的喷射时间控制，并且更耐受喷射阻滞。此外，还可以改善烟灰与NOx排放物之间的平衡。
简而言之，本公开的活塞碗120产生改进的燃料喷射速度、改进的燃料分配、更快的燃料蒸发、增加的湍流、增加的缸内燃料分配的均匀性、增加的氧化剂利用率，它们组合产生更有效的燃烧并且减少在燃烧事件之后从气缸释放的未燃烧燃料的量，因此产生减少的排放物并且因此减少对下游的废气的后处理的需求。
图4(a)至图4(c)示出了在喷射之后在连续时间的燃料分配行为。具体地，图4(b)和图4(c)展示了在唇缘倒角240表面的径向最内部分245附近的增加的湍流。
图5示出了通过与其他活塞顶设计的比较，所要求保护的活塞顶120特征的组合如何有助于显著改善排放。对于图5中表示的所有数据组，喷射喷雾角为130°。
图5的曲线图中示出的两个数据组涉及现有技术的活塞碗并且显示出较高水平的烟灰。现有技术的活塞碗1不具有凹入。现有技术的活塞碗2具有凸起底板，所述凸起底板具有与所要求保护的活塞碗的轮廓不同的轮廓。
图5的曲线图中的其他四个数据组示出了落入权利要求的范围内的活塞碗。这些都显示出显著降低的烟灰水平。

Claims (15)

1.一种用于内燃机的活塞的活塞顶，所述活塞顶沿中心轴线在轴向方向上延伸并且从所述中心轴线在径向方向上向外延伸，所述活塞顶包括：环形表面，所述环形表面在所述轴向方向上在所述活塞顶的第一端处；以及活塞碗，所述活塞碗径向位于所述环形表面内并且相对于所述活塞顶的所述第一端凹入；其中所述活塞碗包括：
凸起底板，所述凸起底板在所述活塞碗的径向中央区域中；
弧形表面，所述弧形表面相对于所述凸起底板径向向外定位；以及
唇缘倒角表面，所述唇缘倒角表面从所述弧形表面径向向外延伸并且从所述环形表面径向向内延伸，其中所述唇缘倒角表面的径向最内部分径向位于所述弧形表面的径向最外部分的内部；其中：
碗最大半径R最大被定义为所述活塞顶的所述中心轴线与所述环形表面的最内边缘之间在所述径向方向上的距离；
碗高度H被定义为所述环形表面与所述活塞碗的最远离所述环形表面的表面之间在所述轴向方向上的距离；
唇缘凹角被定义为在所述活塞顶的所述第一端处在所述径向方向上延伸的线与最靠近所述活塞顶的所述第一端的所述弧形表面的切线之间的锐角；
所述碗最大半径R最大在所述碗高度H的2.3倍与3.2倍之间；并且：
所述唇缘凹角在40°与80°之间。
2.根据权利要求1所述的活塞顶，其中在所述活塞顶的所述第一端处在所述径向方向上延伸的所述线与所述唇缘倒角表面之间的角度在10°与30°之间。
3.根据任一项前述权利要求所述的活塞碗，其中所述凸起底板包括：
截头圆锥表面，所述截头圆锥表面朝向所述活塞顶的所述第一端渐缩；以及
突起部，所述突起部在所述截头圆锥表面的最靠近所述活塞顶的所述第一端的端部中。
4.根据权利要求3所述的活塞碗，其中所述突起部呈在所述截头圆锥表面的锥形端部中的球形圆顶的形式。
5.根据任一项前述权利要求所述的活塞顶，其中所述唇缘凹角在50°与70°之间、优选地在55°与65°之间、甚至更优选地在58°与62°之间、还更优选地在59°与61°之间、并且最优选地大约60°。
6.根据任一项前述权利要求所述的活塞顶，其中所述碗最大半径R最大在所述碗高度的2.4倍与3.0倍之间、优选地2.5倍与2.9倍之间、甚至更优选地2.6倍与2.8倍之间、还更优选地2.65倍与2.75倍之间、并且更加优选地大约2.7倍。
7.根据权利要求6所述的活塞顶，其中所述碗最大半径R最大是所述碗高度的2.69倍。
8.根据任一项前述权利要求所述的活塞顶，其中碗喉半径R1被定义为所述活塞顶的所述中心轴线与所述唇缘倒角表面的径向最内边缘之间在所述径向方向上的距离；并且所述活塞顶的径向长度被定义为所述活塞顶的所述中心轴线与所述活塞顶的最外边缘之间在所述径向方向上的距离；
其中所述碗喉半径R1在所述径向长度的0.63倍与0.74倍之间。
9.根据权利要求8所述的活塞顶，其中所述碗喉半径R1在所述径向长度的0.65倍与0.72倍之间、优选地0.66倍与0.71倍之间、甚至更优选地0.67倍与0.70倍之间、并且还更优选地0.68倍与0.69倍之间。
10.根据权利要求9所述的活塞顶，其中所述碗喉半径R1是所述径向长度的0.684倍。
11.根据权利要求3或从属于权利要求3的任一项权利要求所述的活塞顶，其中所述活塞顶的所述中心轴线与所述截头圆锥表面之间的角度在60°与80°之间。
12.根据权利要求10所述的活塞顶，其中所述活塞顶的所述中心轴线与所述截头圆锥表面之间的所述角度在60°与80°之间、优选地在64°与76°之间、甚至更优选地在67°与73°之间、还更优选地在69°与71°之间、并且最优选地大约70°。
13.一种活塞，所述活塞包括根据任一项前述权利要求所述的活塞顶。
14.一种用于内燃机的气缸，所述气缸包括根据权利要求13所述的活塞。
15.根据权利要求14所述的气缸，其中：
所述气缸包括内孔，所述内孔具有内孔半径Y；
所述活塞顶具有碗喉半径R1，所述碗喉半径被定义为所述活塞顶的所述中心轴线与所述唇缘倒角表面的径向最内边缘之间在所述径向方向上的距离；
并且其中：
其中所述碗喉半径R1在所述内孔半径Y的0.63倍与0.74倍之间；
并且其中，优选地，所述碗喉半径R1在所述内孔半径Y的0.65倍与0.72倍之间；
并且其中，更优选地，所述碗喉半径R1在所述内孔半径Y的0.66倍与0.71倍之间；
并且其中，甚至更优选地，所述碗喉半径R1在所述内孔半径Y的0.67倍与0.70倍之间；
并且其中，还更优选地，所述碗喉半径R1在所述内孔半径Y的0.68倍与0.69倍之间；
并且其中，更加优选地，所述碗喉半径R1是所述内孔半径Y的0.684倍。
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