CN1087057C - 具有主动引导头部的活塞及相应的燃烧室 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃烧室(5)，由活塞的头部限定。该活塞头部(8)有一个外周平面环(20)，在该平面环内有一个碗形凹槽(21)和一个凸起部分(22)。所述碗形凹槽凹向燃烧室(5)，偏于活塞(3)轴线(X-X)的一侧，活塞(3)对着喷油嘴(12)，后者相对于轴线(X-X)倾斜，设置于汽缸盖(7)的侧面，用来向燃烧室(5)中直接喷射。所述凸起部分在所述轴线(X-X)的另一侧，其俯视形状为部分环绕凹槽(21)的马蹄铁形或新月形。在所述凹槽(21)和凸起部分(22)的连接部的上方，所述凸起部分(22)具有一个伸出的凸缘(23)。凸起部分的上表面(24)凸向燃烧室(5)。在马蹄铁形凸起部分(22)的基部，前伸凸缘(23)的宽度最大，向马蹄铁形凸起部分(22)的两翼端部逐渐减小，直到基本消失。这样，可确保在对着燃烧室(5)顶部轴向火花塞(10)的燃烧室(5)中央制备性能良好的燃料空气混合气。本发明用于控制点火、直接喷射型内燃机。

Description

具有主动引导头部的活塞及相应的燃烧室
本发明涉及一种内燃机活塞，尤其是控制点火和燃料直接喷射型内燃机的活塞，其头部具有适当的几何形状，以实现主动引导。
本发明还涉及与本发明的活塞相配合的燃烧室，用于控制点火型及向燃烧室中直接喷射燃料的内燃机。
具体来说，本发明的活塞与一个汽缸体以及汽缸盖上的凹槽共同形成相应的燃烧室。活塞在所述汽缸体中轴向滑动，所述汽缸凹槽与活塞头部相对，所述汽缸盖装在内燃机的每个汽缸体上。活塞头部具有一个朝向燃烧室的端面；并且，在一个外周平面环内，垂直于活塞轴，所述活塞头部有一个碗形槽和一个凸起部分。所述碗形槽的凹陷朝向所述燃烧室，并偏于活塞轴一侧。所述凸起部分相对于所述外周平面环凸向燃烧室，并偏于所述活塞轴另一侧。所述碗形槽和凸起部分相对于活塞头部的一个直径方向是对称的，如文献FR2757211所述。
人们知道，对于内燃机活塞头部的端面，近来提出了许多种几何形状，以及相应的与其配合的燃烧室，以改善燃料空气混合气的准备过程，以同时达到减少内燃机燃料消耗和燃气污染的目的。
为此，提出了对内燃机的运行加以控制，尤其是在低负荷运行时。此时的所谓稀薄燃料空气混合气(其中的空气比例高于化学配比)可能是均一的或者是分层的，尤其是在均一混合气的发火极限之外时。然而在中等负荷或者高负荷时，向内燃机供给的是化学配比的可燃混合气。混合气仅在内燃机运行的某些特定条件下才是可充分燃烧的，尤其是在一些过渡条件下，或者是例如冷起动时。
无论供给内燃机的可然混合气的成分比例是什么样的，燃烧室中混合气的燃烧特征取决于多种因素。其中有与燃烧室的形状，从而与相应活塞头部端面的几何形状(从而与所述活塞头部的凹槽和凸起部分的形状)相联系的几何因素，空气动力学因素——尤其是燃料射流、吸入汽缸的空气以及燃烧室内部气流的速率和扰动，以及喷油嘴的尺度和几何形状，比如喷油孔的数量、形状和尺度，喷油嘴的内部结构和燃料供给压强。
我们知道，燃烧室内部空气动力学特征的优化，尤其是在吸入空气、喷射燃料和可燃混合气点火时，主要在于控制点火和直接喷射的内燃机设计。这种设计尤其是为了在燃烧室内更有利于燃烧(良好的发火性，以及对混合气燃烧火焰前沿的扩展的良好控制)的区域，尽可能好地形成化学配比的或者稀薄的混合气。
燃烧室几何形状的确定是为了改善混合气形成过程的某些方面，尤其是总体空气动力学结构，比如描述绕燃烧室轴的旋转宏观结构的称作“涡流”的气流，以及描述轴向运动的称作“翻滚”的气流。所述轴向运动可以用主气流描述燃料射流的偏转特征，从而更好地评估燃料的分布及其在燃烧室中的汽化情况。所述几何形状还应当增进压缩阶段后期燃料负载中的扰动度，以局部控制火焰前沿附近的单位质量能量转换参数，从而确定燃烧速度。
为了改善燃烧室中燃料的分布和汽化以及空气燃料的混合，以改善燃烧效果，近来已提出了各种具体的燃烧室几何形状，这些燃烧室具有一个或多个设置在活塞头部端面并朝向燃烧室开口的碗形凹槽，喷油嘴将燃料喷射到其中一个碗形凹槽中，射流被凹槽偏转，射向燃烧室与火花塞相对的中央，同时在燃烧室中被经过所述碗形凹槽改进了的气流和扰动雾化为微细的燃料液滴，并/或者被汽化，并与吸入燃烧室的空气混合。
例如，文献DE19713030说明了一种控制点火直接喷射四冲程内燃机，其中，构成燃烧室的活塞头部端面具有基本为H形状的引导肋，凸向所述燃烧室，包括两条平行相间隔的、垂直于内燃机汽缸轴所在的内燃机纵剖面的纵向肋，这两条肋由一条横向肋连接起来，该横向肋平行于内燃机的所述纵剖面，并基本垂直于所述纵向肋。这些肋用来在压缩阶段后期优化局部扰动度，放大吸入汽缸的气体“滚动”的空气动力学运动，以便通过尤其是对燃料和燃料空气混合气的速度和分布的影响而改善燃烧效果。所述肋在其间以及与活塞头部的外周平面环之间形成四个朝向燃烧室的碗形凹槽。两个中央槽(H结构的肋之间)之一接纳设置在汽缸盖侧面的喷油嘴的燃料射流。汽缸盖的形成燃烧室的凹槽是一个具有两个倾斜面的屋顶形状的槽，喷油嘴设置在两个倾斜顶面之一的基部，在两个与设置在该倾斜顶面中的进气口相配合的进气阀之间。该喷油嘴的轴与活塞及燃烧室的轴斜交，并在后者所在的径向平面内。在活塞及燃烧室的轴线上，于汽缸盖上，燃烧室的上端，设置有火花塞。
在文献DE19713029中，活塞头部在其朝向燃烧室的端面上有一个凸向燃烧室的T形肋结构，该结构在该端面上与活塞头部的外周平面环形成三个朝向燃烧室的碗形凹槽，其中一个凹槽接纳喷油嘴喷出的燃料射流，喷油嘴与活塞和火花塞的轴斜交，并朝向该轴，但设置在燃烧室的顶部，在两个倾斜顶面的连接处，所述两个倾斜顶面形成汽缸盖的屋顶形凹槽，并构成燃烧室的相应部分。
在文献US5727520中，活塞头部端面具有一个开口很大的U形引导肋，凸向燃烧室，从而形成两个朝向燃烧室的凹槽。位于U形内部的那个槽接纳喷油嘴的燃料射流。喷油嘴设置在中央，在两倾斜面屋顶形状的燃烧室的顶部。喷油嘴相对于活塞和燃烧室的轴稍微倾斜，而火花塞相对于所述轴则倾斜得更多，设置在侧面，在汽缸盖屋顶形凹槽的一个倾斜顶面上。在进气一侧，所述活塞头部的肋形成的U形朝向进气阀开口。
在上述这些不同的实施方案中，形成活塞头部凹槽的肋主要是用来在放大“翻动”运动方面改进气流，同时增进局部扰动，以提高燃料空气混合气的质量、发火性和燃烧速度，从而在总体上改善燃烧效果，减少消耗和污染。
本发明的目的，是相对于上述专利的实施方案进一步在消耗和污染方面改进性能，进一步改善压缩阶段后期的局部扰动度，以及燃料在燃烧室中的分布和汽化。这是通过一种气体比重引导和刚性壁引导的混合设计实现的。所述设计导致燃烧室几何形状的优化，以便恰当制备尤其是直接喷射的层状稀薄混合气，以根据火花塞的位置保证良好的燃烧效果，并在燃烧室对着火花塞的中央空间按照化学配比形成燃料空气混合气。
本发明的另一个目的是通过完善文献FR2757211所述类型的活塞的头部，以改善上文所述的方面。所述活塞头部参与形成燃烧室的端面在一个外周平面环的内部垂直于活塞轴有一个碗形凹槽和一个凸起部分。所述碗形凹槽的凹底朝向燃烧室，并偏于活塞轴的一侧。所述凸起部分相对于所述外周平面环凸向所述燃烧室，偏于所述活塞轴的另一侧。所述凹槽和凸起部分相对于所述活塞头部的一个直径方向对称。
为此，如前所述以及如文献FR2757211所述的主动引导头部的活塞，在本发明中的特征是，所述凸起部分在平行于活塞轴方向看的平面图中，基本为部分环绕所述凹槽的马蹄铁形状。所述凹槽另外还被所述外周平面环的一段弧所环绕。本发明的特征还在于，所述凸起部分至少在基本为马蹄铁形的凸起部分基部具有一个在凹槽和凸起部分接合部上方伸出的凸缘，与所述基部相邻，是马蹄铁形凸起部分的翼部。
因此，所述燃烧室的形状，尤其是活塞的所述凹槽和凸起部分的形状，令气流产生扰动，有利于燃料、空气的良好混合，同时使喷油嘴喷出的燃料射流偏向燃烧室的中央，从而使燃料更好地雾化和汽化。
另外，所述伸出的凸缘最好没有尖棱，相反地，凸缘的横截面为圆滑的。另外，在垂直于活塞轴的平面内看，凸缘伸出部分的宽度从马蹄铁形凸起部分的基部向凸起部分两翼的端部逐渐减小或者尖灭，在所述翼部的端部，所述伸出部显然已没有了。
这种技术手段可以减少甚至取消原来在空气进气管路上游所需的一些装置，这些装置复杂而昂贵，用来在燃烧室中形成气体的“涡流”运动。
另外，在平行于活塞轴的方向，所述凹槽的深度最好是变化的，在凹槽不与所述马蹄铁形凸起部分的基部相邻的部分深度最大，该最大深度，以及更一般地说所述凹槽底部的轮廓，最好尤其是活塞直径以及喷油嘴相对于活塞及燃烧室轴的角位置的函数。
另外，所述马蹄铁形凸起部分最好具有一个朝向燃烧室的凸起的表面，相对于活塞轴，其径向宽度在活塞头部凹槽和凸起部分的直径对称方向上最大，在该方向的两侧，也就是马蹄铁形凸起部分的两翼，逐渐减小。该有利特征可以减小发火和燃烧状态不好的混合气在燃烧室中所占据的内部空间。
同时，所述外周平面环的径向宽度也是变化的，在所述凹槽和凸起部分的对称直径方向上，在相对于所述凹槽而言于所述凸起部分的后边一侧，最小。该外周平面环的径向宽度在该最小宽度部分两侧逐渐加大，直到所述马蹄铁形凸起部分的两翼一侧。这样，所述凸起部分的形状与所述外周平面环的逐渐加宽相结合，有利于未完全燃烧的气体的侧向排出，尤其是向中央燃烧区。
本发明还有一个目的是一种控制点火直接喷射内燃机的燃烧室，其由在内燃机汽缸中轴向滑动的活塞头部、所述汽缸体以及一个与所述活塞头部相对、设置在汽缸所带的汽缸盖上的凹槽形成，火花塞设置在所述汽缸盖上，基本与所述活塞同轴，一个燃料喷嘴也设置在所述汽缸盖上，以便向燃烧室中直接喷射至少一种沿与活塞轴斜交的轴向的燃料射流，本发明的所述燃烧室的特征在于，所述活塞为本发明如前所述的活塞，燃料射流的倾斜轴在所述活塞轴及活塞头部凹槽和凸起部分对称直径方向所在的基本径向的平面内，所述燃料射流射向所述凹槽以及所述马蹄铁形凸起部分基部的伸出凸缘，以获得优良的主动引导。
另外，所述燃烧室最好为已知的性能好的燃烧室，其中，所述汽缸盖的相应凹槽基本为两个倾斜顶面的屋顶形状，其中一个倾斜顶面设置所述喷油嘴以及至少一个空气进气管，后者由至少一个进气阀有选择地开闭并基本正对所述活塞头部的凹槽，而至少一个排气管则设置在所述另一个倾斜顶面上，由至少一个排气阀选择性地开闭，并正对所述活塞头部的凸起部分。
在这样的燃烧室中，使喷油嘴相对于活塞轴倾斜，使燃料射流的轴与活塞轴形成约80°到约45°的角度，可以获得优良的性能。
通过参照附图对非限制性实施例所作的说明，可以看出本发明的其它优点和特征：
-图1是本发明的具有一个活塞和一个燃烧室的内燃机的局部剖视简图，
-图2是图1所示活塞的头部以及相应汽缸体的俯视剖视图。
图1简要示出了一个控制点火直接喷射型四冲程内燃机1的横剖视图。
众所周知，在发动机组1的每个汽缸2中，装有活塞3，该活塞通过连杆4与曲柄(图中未示出)相连，在汽缸中来回轴向滑动。
在活塞3的上端，在与活塞3相对、设置在发动机组1所带的汽缸盖7上的凹槽和活塞3的头部8端面9之间，形成了燃烧室5。
汽缸盖7的凹槽6是所谓的“屋顶”形的凹槽，基本由两个倾斜的顶面形成，两个顶面在燃烧室5顶部相互汇聚并连接起来。
在汽缸盖7中，与活塞3以及燃烧室5的轴线X-X同轴，设置有一个火化塞10，使其电极11露于燃烧室5的顶部。
在汽缸盖7中还设置有一个燃料喷嘴12，使其直接向燃烧室5中喷射以轴线Y-Y为中心的燃料射流13，为了方便，该轴线在图中所示即为喷油嘴12的轴线。该Y-Y轴与X-X轴倾斜一个角度，在本实施例中，该角度为73°，并在轴线X-X和形成凹槽6的两倾斜顶面6a和6b之一6a的中线(垂直于图1的平面)所在的径向平面上。在该顶面6a的基部，在汽缸2的上端附近，基本在进气管比如15的下游端的两个进气口14之间，由进气阀比如16选择性地开闭进气口14。而设置在凹槽6的另一个顶面6b上的排气口17则由排气管19上游端的排气阀18选择性地开闭。进气管15和排气管19设置在汽缸盖7中。
空气从位于喷油嘴12同一侧的进气口14进入燃烧室5，燃料空气混合气在燃烧室5中燃烧所产生的燃气则从燃烧室5另一侧通过排气口17和相应的排气管19排出。
或者，内燃机可以具有一个或两个以上的进气阀16和/或一个或多个排气阀18。
图1中所示的活塞8头部端面9是轴线X-X和Y-Y确定的径向剖面，在其最低位置和最高位置之间的中间位置。而图2所示的活塞8头部的该端面9则是在轴线X-X方向的俯视图。
端面9具有一个外周环20，后者是平的，并垂直于轴线X-X。在该外周环之内，端面9具有一个基本为凹陷碗形的凹槽21，其凹形朝向燃烧室5，并偏于轴线X-X的一侧，更具体地说，是偏于朝着喷油嘴12的一侧。当然，该凹槽21也有一部分在轴线X-X的另一侧，也就是在排气口一侧。
在外周平面环20内侧，端面9还具有一个凸起部分22，相对于外周环20凸向燃烧室5，并偏于轴线X-X在排气口的那一侧。但是，如图2所示，凸起部分22的平面形状为马蹄铁形或者新月形，其在径向上最宽的基部22a明显偏于轴线X-X朝向排气口的一侧(与排气阀18相对)，但是该基部22a在凹槽21和外周环20之间延伸出径向宽度逐渐减小的两个侧翼22b。
这样，凹槽21在其周围的大部分都由马蹄铁形凸起部分22环绕，在其余的部分则由外周环20的一段弧20a所环绕，该环弧20a的角厚度可以在图中所示直径方向Z-Z两侧对称地变化。
凹槽21和凸起部分分别相对于垂直于轴线X-X并在喷油嘴12的轴线Y-Y所在的径向平面内的直径方向Z-Z对称。
凸起部分22具有一个伸在凹槽21和凸起部分的连接部上方的凸缘23，该前伸凸缘23在垂直于轴线X-X的方向上看的宽度，在凸起部分22的基部22a处的直径方向Z-Z最大，并向该直径方向Z-Z两侧逐渐减小。与基部22a相邻的翼部22b逐渐减小，直到尖灭于凸起部分该翼部22b的端部，如图2中表示凸缘23的实线和表示前伸部分底端的虚线所示。
另外，前伸的凸缘23的边缘不是尖棱，而是圆滑的横截面，连接着凹槽21表面延伸出的凹形表面和凸向燃烧室5的凸起部分22的上表面24。
或者，如图1中的虚线所示，凸起部分22在其基部22a的上表面24的凸起可以不那么显著，但径向宽度(垂直于轴线X-X)更大，使得外周环20在凸起部分22基部22a之后的，在直径方向Z-Z(见图2)所在截面上的最小宽度更小，同时，其宽度在该最小截面两侧逐渐增大，直到在凸起部分22翼部22b一侧的部分20c取得最大宽度值。
另外，在平行于轴线X-X的方向，凹槽21的深度从凹槽21与凸起部分22基部22a相邻的部分向凹槽21与外周环20直接相邻的部分，也就是与进气阀16相对并在喷油嘴12之下的部分，明显增大。
当活塞3向最高点运动时，喷油嘴12喷出的燃料射流13当缓慢喷射时对着凹槽21，朝向凸起部分22基部22a处的前伸凸缘23，在该前伸凸缘23之下。借助于活塞8头部端面9的特定几何形状，以及活塞相对于与轴向火化塞10斜交的喷油嘴12的特定位置，就可以实现混合引导，也就是对较轻部分(蒸气或者小直径的液滴)的气体比重引导，以及对较重部分(直径较大的液滴)的刚性壁引导，从而，通过燃料射流向火化塞10的偏转、燃料的良好汽化以及燃料空气混合气在凹槽21中央区域的局部扰动度的提高，确保制备性能优异的燃料空气混合气，使得在稀薄混合气运行时，使混合气相对于火化塞10有良好的层化，从而实现混合气的良好燃烧。
同样，在进气阶段通过喷射按照均一的化学配比供给空气和燃料时，本发明所提出的几何形状在燃烧室5的中央，在紧邻火化塞10的电极11的地方，形成了一个有效的化学配比混合区。
在压缩和燃烧阶段，由于凸起部分22(在其径向最宽的基部22a以及在其径向变窄的翼部22b)的上表面24的凸起形状所形成的气体排出装置，并由于从凸起部分22基部22a之后直径方向Z-Z的最小截面区20b到相对于轴线X-X在凸起部分22翼部22b之后的最宽的侧部20c，外周环20的径向宽度逐渐增大，未燃烧的气体在燃烧室5中排气阀18之下的周围区域的运移得到了改善。
这样，凸起部分22在其前伸凸缘23和外周环20之间的凸形可以减少不具有良好的燃烧性能的混合气在燃烧室5中所占据的容积。
另外，前伸凸缘23的圆滑截面(非尖棱的)可以在燃烧室5中产生气体的“涡流”运动。如果没有本发明的方案，所述“涡流”运动至少部分应当由设置在给气管路上游的特殊装置产生。
当然，凹槽21的变化的深度可以尤其是根据活塞3的直径和喷油嘴12轴线Y-Y相对于活塞和燃烧室5轴线X-X的倾斜度加以优化。所述倾斜度最好在约80°和45°之间。

Claims (9)

1.具有主动引导头部的活塞，用于内燃机(1)，尤其是控制点火、燃料直接喷射型的内燃机，所述活塞(3)头部(8)的端面(9)与内燃机汽缸(2)以及内燃机汽缸(2)所带的汽缸盖上的凹槽(6)一起形成燃烧室，所述活塞(3)安装在所述汽缸中，可轴向滑动，所述汽缸盖上的凹槽正对活塞(3)的头部(8)，所述端面(9)有一个外周平面环(20)，在该外周平面环内，垂直于活塞(3)的轴线X-X，所述端面(9)有一个碗形凹槽(21)和一个凸起部分(22)，所述碗形凹槽的凹底朝向所述燃烧室，偏于活塞(3)轴线X-X的一侧，所述凸起部分相对于所述外周环(20)凸向所述燃烧室，并偏于所述活塞轴线X-X的另一侧，所述凹槽(21)和凸起部分(22)相对于活塞头部(8)的直径方向(Z-Z)对称，所述活塞的特征在于，在平行于活塞(3)轴线(X-X)方向看的平面上，所述凸起部分(22)的形状基本为部分环绕所述凹槽(21)的马蹄铁形，所述凹槽(21)另外还被所述外周平面环(20)的一段弧(20a)所环绕，在所述凹槽(21)和凸起部分(22)的连接部的上方，在基本马蹄铁形的凸起部分(22)的基部(22a)及与该基部(22a)相邻的翼部(22b)，所述凸起部分(22)具有一个伸出的凸缘(23)，在垂直于活塞(3)轴线(X-X)的平面上，所述凸缘(23)前伸的幅度从马蹄铁形凸起部分(22)的基部(22a)中央向凸起部分(22)两翼(22b)的每个端部逐渐减小，在所述翼部(22b)的端部，所述前伸凸缘就基本消失了。
2.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述前伸凸缘(23)的横截面是圆滑的。
3.如权利要求1或2所述的活塞，其特征在于，平行于活塞(3)的轴线(X-X)，所述凹槽(21)的深度是变化的，在凹槽(21)的一个不与所述马蹄铁形凸起部分(22)基部(22a)相邻的部分最大。
4.如权利要求1到3之一所述的活塞，其特征在于，所述马蹄铁形凸起部分(22)具有一个朝向所述燃烧室(5)的凸面(24)，其相对于活塞(3)轴线(X-X)的径向宽度在活塞头部(8)的所述凹槽(21)和凸起部分(22)的对称直径方向上最大，并在该方向的两侧，也就是在所述马蹄铁形凸起部分(22)的翼部(22b)逐渐减小。
5.如权利要求1到4之一所述的活塞，其特征在于，所述外周平面环(20)的径向宽度是变化的，在所述直径方向(Z-Z)，相对于所述凹槽(21)在所述凸起部分(22)的后侧，所述径向宽度最小，从该最小宽度部分(20b)两侧直到所述马蹄铁形凸起部分(22)的翼部(22b)侧边，所述外周平面环(20)的径向宽度逐渐增大。
6.如权利要求1到5之一所述的活塞，其特征在于，所述外周环(20)的所述弧段(20a)的角厚度在所述直径方向(Z-Z)两侧对称地变化。
7.控制点火及直接喷射型内燃机(1)的燃烧室(5)，由在内燃机(1)汽缸(2)中轴向滑动的活塞(3)的头部(8)、该汽缸(2)以及该汽缸(2)所带的汽缸盖(7)上与所述活塞头部(8)正对的凹槽(6)共同形成，在所述汽缸盖(7)上，基本与所述活塞(3)同轴，设置有一个火花塞(10)，在该汽缸盖(7)上，还设置有一个燃料喷射嘴(12)，用来向燃烧室(5)中直接喷射至少一个沿着与活塞(3)轴线(X-X)斜交的轴线(Y-Y)方向的燃料射流(13)，所述燃烧室的特征在于，所述活塞(3)是权利要求1到6之一所述的活塞，所述燃料射流(13)的倾斜轴线(Y-Y)在一个基本径向的平面中，所述活塞(3)的轴线(X-X)过该径向平面，活塞头部(8)的所述凹槽(21)和凸起部分(22)的所述对称直径方向(Z-Z)也过该径向平面，所述燃料射流(13)射向所述凹槽(21)以及所述马蹄铁形凸起部分(22)基部(22a)的所述前伸凸缘(23)。
8.如权利要求7所述的燃烧室，其特征在于，所述汽缸盖(7)上的所述相应凹槽(6)基本为两个倾斜顶面(6a，6b)形成的屋顶形状，所述喷油嘴(12)以及至少一个基本正对活塞头部(8)的所述凹槽(21)的进气管(15)开口于其中一个顶面(6a)上，由至少一个进气阀(16)选择性地开闭，至少一个排气管(19)则开口于另一个倾斜顶面(6b)上，基本正对活塞头部(8)的所述凸起部分(22)，由至少一个排气阀(18)选择性地开闭。
9.如权利要求7或8所述的燃烧室，其特征在于，所述喷油嘴(12)相对于所述活塞(3)的轴线(X-X)倾斜，使得燃料射流(13)的轴线(Y-Y)与活塞(3)的轴线(X-X)形成约80°到45°的角。
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