CN109996942A - 活塞顶 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种活塞顶，其用于可安装在内燃机的燃烧气缸中的活塞。活塞顶包括顶部环形表面。在顶部环形表面的径向内部是用于引导喷射到燃烧气缸中的燃料的活塞碗。活塞碗在靠近环形表面的活塞碗的喉部处包括截头圆锥形唇缘倒角表面。在径向横截面中，唇缘倒角表面具有至少30mm、优选为30mm的半径。
Description
技术领域
本公开大体上涉及用于内燃机的活塞碗。
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。
除了其它方面，可以通过燃烧室的形状以及喷射到燃烧室中的燃料的喷射特性来影响发动机的燃烧室内的燃烧特性。以此方式，可影响例如燃料燃烧效率和燃烧排放物的组成等因素。燃烧排放物的组成包括燃烧产生NOx和颗粒物质(例如碳烟)的程度。
发动机可具有由燃烧气缸的内表面和在燃烧气缸内往复运动的活塞的顶表面界定的燃烧室。在此类燃烧室中，可以通过改变面对燃料喷射器的活塞的顶表面来影响燃烧特性，所述燃料喷射器被构造成将燃料喷射到燃烧气缸中。还可以通过改变喷射到燃烧室中的燃料的分布来影响燃烧特性。
已知在活塞的顶表面内提供各种不同的活塞碗。除了其它方面，燃烧碗的形状可通过以下决定：意图是否是燃料针对活塞碗的特征定向，以便将燃料蒸气分配在碗内(称作针对性活塞碗)，或意图是否是由碗引导燃料，而不产生针对性冲击(称作喷雾引导活塞碗)。活塞碗是否用于针对性或喷雾引导使用也受到气缸内的燃料喷射的方式的管控。除了其它方面，喷射行为可以由喷射孔口的数量和布置来管控，包括此孔口相对于燃烧气缸的角度。本公开涉及喷雾引导活塞碗。
鉴于发动机效率的提高和监管方案的变化，可能需要生产较小的发动机。然而，出于各种原因，仅仅缩放燃烧气缸和活塞的所有尺寸可能是不适合的。这种情况的一个原因可能是燃料喷射行为可能不容易扩展，和/或在某种程度上燃料喷射行为可能是可扩展的，但出于其它原因这可能是不合需要的。
在生产较小的发动机时，可能期望增加旋流比，所述旋流比被定义为气缸内的截留气体围绕气缸轴线的角旋转速度除以发动机速度。这可能是期望的，以便促进燃料和空气的有效混合并限制燃烧气体的渗透。
本公开涉及由更大的现有技术喷雾引导活塞碗(如图3和图4所示)发展而来的喷雾引导活塞碗。本公开的活塞碗可以适合于具有高效率和低排放的较小直径的燃烧气缸。
发明内容
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：
碗底板，所述碗底板具有与所述活塞顶的所述中心轴线重合的旋转轴线，所述碗底板包括截头圆锥形部分，所述截头圆锥形部分在所述活塞顶的所述第一端的方向上朝向盖住所述截头圆锥形部分的球形盖部分逐渐变窄；
弧形表面，所述弧形表面相对于所述碗底板径向向外定位；
圆周表面，所述圆周表面在所述弧形表面的径向向外端处平行于所述活塞碗的所述中心轴线；和
截头圆锥形唇缘倒角表面，所述截头圆锥形唇缘倒角表面从所述弧形表面的所述圆周部分径向向外延伸并且从所述环形表面径向向内延伸，并且远离所述活塞顶的所述第一端逐渐变窄；
其中在径向横截面中，所述唇缘倒角表面具有至少30mm、优选为30mm的半径。
附图说明
图1示出了根据本公开的一方面的包括活塞碗的活塞的一端的横截面示意图，所述活塞在发动机气缸中在原位置；
图2示出了图1的活塞的横截面示意图；
图3出于比较目的，示出了第一现有技术活塞碗的横截面示意图；
图4出于比较目的，示出了第二现有技术活塞碗的横截面示意图；
图5示出了图1的活塞碗的唇缘几何形状的第一选项的横截面示意图；
图6示出了图1的活塞碗的唇缘几何形状的第二选项的横截面示意图；
图7示出了适合与本公开的活塞碗一起使用的喷射器的横截面示意图；
图8提供了显示图1和图2的活塞碗对比现有技术的活塞碗(例如图3和图4的活塞碗)的性能的图形；和
图9提供了显示图1和图2的活塞碗对比现有技术的活塞碗(例如图3和图4的活塞碗)的性能的图形。
具体实施方式
图1示出了穿过内燃机的气缸100连同相关特征的横截面。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。
进气通道90与气缸100流体连通并且被构造成将空气供应到气缸，并且排气通道92也与气缸100流体连通，并且将燃烧产物传送出气缸。进气阀和排气阀未在图1中示出，但通常将以常规方式设置。废气再循环回路94可以连接通道90和通道94，并且可以具有排气再循环控制阀96和定位在其中的废气冷却器98。
在图1中，相对于气缸110示出在其摆动周期中的位置处的活塞110，所述位置最靠近气缸100的顶端102。
活塞顶120具有轴向方向和径向方向，所述轴向方向竖直地位于图1的取向上，所述径向方向水平地位于图1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。
图2示出了与气缸100分离的图1的活塞。参考图2，活塞顶120包括环形表面201，该环形表面在轴向方向上在活塞顶120的第一端280处，当在气缸100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可以径向最远离中心轴线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还包括平行于活塞碗210的轴线并且相对于弧形表面230径向向外定位的圆周表面235。活塞碗210还包括唇缘倒角表面240，所述唇缘倒角表面从圆周表面235径向向外延伸并且从环形表面201径向向内延伸。
凸起底板220包括截头圆锥形表面221，所述截头圆锥形表面在活塞顶的第一端280的方向上朝向盖住截头圆锥形表面221的球形盖222逐渐变窄。截头圆锥形表面221相对于正交于轴线290的平面的角度可以与球形盖222的最低部分的角度相同，以便避免在截头圆锥形表面221与球形盖222之间的接口处的任何表面不连续性。换句话说，截头圆锥形表面221在其较小端处的直径可与球形盖222的最宽尺寸相同。此外，截头圆锥形表面221的直径可与球形盖222的最宽尺寸对齐。
当在径向横截面中观察活塞120时，弧形表面230可在弧形表面230与截头圆锥形表面221的径向最外端相接之处和弧形表面230与平行于活塞碗210的轴线的圆周表面235相接之处之间具有单个半径。
从圆周表面235径向向外延伸并且从环形表面201径向向内延伸的唇缘倒角表面240逐渐变窄使得活塞碗部210的最宽部分在其入口处。其入口是在活塞顶280的第一端处与环形表面201共享的平面中的位置。
活塞120在其中往复运动的气缸100可以具有半径D1，使得气缸100的总直径可以是2D1。活塞120的最大部分的直径小于2D1。活塞120的圆周表面235可以具有半径D2，使得圆周表面235的直径可以是2D2。唇缘倒角表面240可以具有半径尺寸D8。这样，在环形表面201的平面中的活塞碗喉部的直径可以是2(D2+D8)。沿着活塞轴线在环形表面201的平面与最靠近它的球形盖的部分之间的尺寸可以是D5。
截头圆锥形表面221的相对直线部分(即，当在径向横截面中观察时)之间的角度可以是A1。出于比较目的，被构造成将燃料喷射到气缸中的喷射器孔口的轴线之间的角度可以是A2。
环形表面201与唇缘倒角表面240之间的曲率半径可以是R1，并且在一些实施例中，R1可以是零。唇缘倒角表面240与圆周表面235之间的曲率半径可以是R2。弧形表面230的曲率半径可以是R3。球形盖222的曲率半径可以是R5。
为避免疑义，曲率半径R1、R2、R4和R5是通过活塞120的轴线在径向横截面中可识别的那些半径。应当注意，为了清楚起见，在图上标记的半径被绘制为任意长度，并且不以任何方式与其表示的半径的绝对长度或相对长度相关。
在环形表面201与半径R2的起点之间的轴向方向上的尺寸可以是D4。
在第一实施例中，当在通过活塞120的轴线的径向横截面中观察时，唇缘倒角表面240可以是半径R1的内端与半径R2的外端之间的直线。唇缘倒角表面240的直线与环形表面201之间的角度可以是A4。这在图5中更详细地示出，尽管是高度示意性的。
在第二实施例中，当在通过活塞120的轴线的径向横截面中观察时，唇缘倒角表面240在半径R1的内端与半径R2的外端之间可以是弯曲的。此类实施例中的唇缘倒角表面240的曲率半径可以是R6。这在图6中示出，尽管是高度示意性的，尤其是由于R6可以足够大，以致在图6所示的比例下不可立即识别。半径R6与环形表面201的切线之间的角度可以是A4(为了清楚起见，切线和角度在图6中未示出)。
在图5或图6实施例的情况下，值A4可在19°和21°之间。值A4优选可以为20°。对于上文描述并在附图中标识的参数的一些具体示例性图式在下表中提供。图1、图2、图5和图6示出了本公开的实施例，而图3和图4涉及现有技术的活塞碗。
| 图1、2、5和6 | 图3 | 图4 | |
| R<sub>1</sub> | 0mm | n/a | n/a |
| R<sub>2</sub> | 1.5mm | 1.5mm | 1.5mm |
| R<sub>3</sub> | 10.5mm | 12mm | 12mm |
| R<sub>5</sub> | 10mm | 9.98mm | 10mm |
| R<sub>6</sub> | n/a或>30度 | n/a | n/a |
| A<sub>1</sub> | 125.7度 | 125度 | 125度 |
| A<sub>2</sub> | 130度 | 130度 | 130度 |
| A<sub>2</sub>减A<sub>1</sub> | 4.3度 | 5度 | 5度 |
| A<sub>4</sub> | 20度 | n/a | n/a |
| D<sub>1</sub>(孔半径) | 49mm | 52.5mm | 52.5mm |
| D<sub>2</sub> | 34.95mm | 38.3mm | 38.3mm |
| D<sub>4</sub> | 2.49mm | 1.5mm | 1.5mm |
| D<sub>5</sub> | 3.55mm | 4.81mm | 3.97mm |
| D<sub>8</sub> | 3.95mm | 0mm | 0mm |
| 喷射器孔口的数量 | 6 | 6 | 6 |
| 碗体积 | 42.1cm3 | 58.5cm3 | 54.6cm3 |
| 压缩比 | 17.0：1 | 16.5：1 | 16.5：1 |
| 旋流比 | 1.8 | 0.4 | 0.6 |
在使用中，燃料可以从图1和图7所示的喷射器130喷射到燃烧室中。喷射器130可包括多个喷雾排放孔口131，燃料可通过所述喷雾排放孔口喷射。在特定的实施例中，喷雾排放孔口131的数量可以是六个(6)。
每个喷雾排放孔口131可以具有中心轴线Q。中心轴线Q可以穿过每个喷雾排放孔口131的中心点。在实施例中，每个中心轴线Q可以横向于横跨每个相应的喷雾排放孔口131延伸的平面。在实施例中，每个喷雾排放通道具有与相应的喷雾排放孔口131的中心轴线Q重合的纵向轴线。每个相应的喷雾排放通道可以沿着中心轴线Q延伸。在实施例中，每个中心轴线Q可以垂直于横跨每个相应的入口延伸的平面。
每个中心轴线Q可以相对于喷射器130的中心轴线P具有角度γ，喷射器130的中心轴线P可以与活塞290的中心轴线重合。每个中心轴线Q可以相对于中心轴线P具有大约64.5°至65.5°的角γ。每个中心轴线Q可以相对于中心轴线P具有大约65°的角γ。
燃料喷射器10可以具有由角2γ(见图7)限定的喷射锥角A2(见图1)。因此，来自多个喷雾排放孔口131的燃料蒸气可以以大致129°至131°的喷雾锥角排放。来自多个喷雾排放孔口131的燃料蒸气可以以大约130°的喷射锥角排放。
燃料可以以680至720cc/min的流速从多个喷雾排放孔口131排放。燃料可以以700cc/min的流速从多个喷雾排放孔口131排出。
如前所述，旋流比可以定义为围绕气缸轴线的角旋转速度。在优选的实施例中，可以采用1.8的旋流比。这可以促进燃料和空气的有效混合，并且避免燃烧产物驻留在特定区域中，燃烧产物驻留在特定区域中可能影响发动机的耐久性。
唇缘倒角表面240在尺寸减少的活塞中可能是特别有益的，因为它促进离开活塞碗的燃料的分布。与具有较大燃烧体积的图3和图4的现有技术实施例不同，本公开的实施例的唇缘倒角表面240可促进改进的燃料分布，以改进热分布并改进燃烧效率，可能尤其最适用于操作具有大约1.8的旋流比的燃料喷射器的燃烧气缸。
图8提供了相对于现有技术的活塞碗(例如图3和图4)，根据本公开活塞碗(例如，图1和图2)的碳烟相对NOx的绘图。如可以看到，当使用相同的旋流比时，本公开的活塞碗提供比现有技术的活塞碗更低的碳烟。
图9提供了通量相对于喷射定时的绘图，并且示出了根据现有技术(例如，图3和图4)的活塞碗和本公开的活塞碗(例如，图1和图2)的绘图。
工业适用性
本公开涉及一种喷雾引导活塞碗，其可以适用于柴油发动机，以用于实现改进的燃料空气混合，这又产生更有效的燃烧以及减少NOx和/或微粒排放。
活塞可以是铝制的。发动机可以基于已知的较大发动机，其具有减小的活塞直径和体积，并且适于提高效率，并且针对具体排放输出。
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，所述凸起底板具有与所述活塞顶的所述中心轴线重合的旋转轴线，所述凸起底板包括截头圆锥形部分，所述截头圆锥形部分在所述活塞顶的所述第一端的方向上朝向盖住所述截头圆锥形部分的球形盖部分逐渐变窄；
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；
圆周表面，所述圆周表面在所述弧形表面的径向向外端处平行于所述活塞碗的所述中心轴线；和
唇缘倒角表面，所述唇缘倒角表面从所述弧形表面的所述圆周部分径向向外延伸并且从所述环形表面径向向内延伸，并且远离所述活塞顶的所述第一端逐渐变窄；
其中在径向横截面中，所述唇缘倒角表面具有至少30mm、优选为30mm的半径。
2.根据权利要求1所述的活塞顶，其中所述圆周表面的直径在69.7mm与70.1mm之间，优选为69.9mm。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的活塞顶，其中从所述环形表面到限定所述截头圆锥形唇缘倒角表面与所述圆周表面之间的曲线的半径的起点测量的所述截头圆锥形唇缘倒角表面在所述轴向方向上的长度分量在1.36mm与1.40mm之间，优选为1.38mm。
4.根据任一前述权利要求所述的活塞顶，其中在径向横截面中，所述截头圆锥形部分的相对侧之间的夹角在125.2°与126.2°之间，并且优选为125.7°。
5.根据任一前述权利要求所述的活塞顶，其中在径向横截面中，所述弧形表面包括圆弧，所述圆弧具有10.5mm的半径。
6.根据任一前述权利要求所述的活塞顶，所述活塞顶被构造成容纳在直径在97.9mm与98.1mm之间、优选为98mm的燃烧气缸内。
7.根据任一前述权利要求所述的活塞顶，其中所述球形盖部分具有在9.9mm与10.1mm之间、优选为10mm的曲率半径。
8.根据任一前述权利要求所述的活塞顶，其中所述环形表面和所述唇缘倒角表面之间的曲率半径可以在29mm与31mm之间，优选为30mm。
9.根据任一前述权利要求所述的活塞顶，其中所述唇缘倒角表面与所述圆周表面之间的曲率半径可以在1.4mm与1.6mm之间，优选为1.5mm。
10.一种燃烧气缸，其包括具有任一前述权利要求的活塞碗的活塞和安装在面向所述活塞碗的所述燃烧气缸的端部处的燃料喷射器，其中所述燃料喷射器包括多个燃料喷雾排放孔口，所述多个燃料喷雾排放孔口布置成提供在129℃与131℃之间、优选为130°的燃料喷射锥角。
11.根据权利要求10所述的燃烧气缸，其中，所述燃料喷射锥角与所述截头圆锥形部分的相对侧之间的角度之间的差值在4.1℃与4.3℃之间，优选为4.2°。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的燃烧气缸，其中所述喷射器被构造成提供1.7与1.9之间、优选为1.8的旋流比。
13.一种内燃机，其包括根据权利要求10至12中任一项所述的燃烧气缸以及进气阀和排气阀。
14.一种制造燃烧气缸的方法，所述方法包括提供气缸并且在所述气缸内安装具有根据权利要求1至9中任一项所述的活塞顶的活塞。
15.一种提高内燃机的效率的方法，所述方法包括提供在气缸燃烧室内往复运动的活塞的步骤，所述活塞包括活塞顶，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，所述活塞碗径向定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，所述凸起底板具有与所述活塞顶的所述中心轴线重合的旋转轴线，所述凸起底板包括截头圆锥形部分，所述截头圆锥形部分在所述活塞顶的所述第一端的方向上朝向盖住所述截头圆锥形部分的球形盖部分逐渐变窄；
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；
圆周表面，所述圆周表面在所述弧形表面的径向向外端处平行于所述活塞碗的所述中心轴线；和
唇缘倒角表面，所述唇缘倒角表面从所述弧形表面的所述圆周部分径向向外延伸并且从所述环形表面径向向内延伸，并且远离所述活塞顶的所述第一端逐渐变窄；
其中在径向横截面中，所述唇缘倒角表面具有至少30mm、优选为30mm的半径。
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