CN110578614B - 用于流动重定向的活塞设计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于流动重定向的活塞设计。一种用于内燃发动机的活塞包括冠部分，该冠部分具有碗状物，该碗状物包括多个突起部。多个突起部中的每一个包括第一侧表面和第二侧表面，第一侧表面具有大致凹入的形状，第二侧表面具有大致平坦或凸出的形状。

Description

用于流动重定向的活塞设计

技术领域

本专利发明总体上涉及内燃发动机，更具体地涉及直喷式发动机的燃烧室特征。

背景技术

大多数现代发动机是直喷式发动机，这意味着发动机的每个燃烧气缸都包括专用的燃料喷射器，该燃料喷射器被配置成将燃料直接喷射到燃烧室中。虽然直喷式发动机的发动机效率得以提高并且排放物减少，代表了发动机技术相对于过去设计的改进，但是任何特定发动机的设计的改进总是令人期望的，尤其是考虑到燃料成本的增加和对发动机排放的越来越严格的规定。

在传统的直喷式发动机中，喷射到燃烧室中的一个或多个燃料射流与各种燃烧室结构相互作用，这导致燃料分散到燃烧室中。更具体地，进入燃烧室的燃料射流在向所有方向扩散之前冲击燃烧室的各种表面，诸如活塞碗状物、气缸盖的火焰层表面、气缸衬套或缸膛以及其他表面。燃料射流与这些结构的碰撞可能具有多种效果，包括增加排放，因为具有较高燃料浓度的局部区域可能燃烧猛烈，而气缸上的其他区域的可能燃烧稀薄。在与气缸的各种内表面相互作用之后，燃料射流和产生的火焰也可以与相邻的燃料射流或火焰相互作用。这些相互作用可以进一步导致温度更高、燃料效率降低、排热和部件温度增加等。

过去已经提出了各种解决方案来提高发动机的效率并减少其排放。在2014年2月11日授予的美国专利第8,646,428号(“Eismark”)中可以看到先前提出的解决方案的一个例子。Eismark描述了一种具有冠的活塞，冠中光滑形状的突起部适于在火焰羽流中保持动能。活塞设计用于发动机中，在发动机中，在发动机气缸中提供静态空气。燃料喷射器形成燃料射流或火焰，该燃料射流或火焰撞击形成在活塞碗状物中的特征，以使火焰的一部分向上朝向气缸盖表面重定向，并且火焰的剩余部分在碗状物内沿切线方向重定向，从而实现燃烧气体的更好混合，并减少或消除燃烧室中的停滞区。

虽然Eismark的流动重定向在改善发动机气缸中的燃料燃烧方面可能是部分有效的，但是它被配置成与静态气缸一起操作，这对于每个气缸来说是难以一致地实现的。在典型的发动机中，进入发动机气缸的进气动量将具有至少一些旋流，在燃料喷射到气缸中之后，旋流将导致形成的火焰被旋流空气带到一侧并且通常朝向气缸壁。

发明内容

在一个方面，本发明描述了一种内燃发动机。内燃发动机包括：发动机缸体，其具有至少一个缸膛；气缸盖，其具有设置在缸膛一端的火焰层表面；进气门，其与气缸盖相关联并被配置成打开和使得空气能够流动，进气门还可以包括其他进入缸膛中的流体，诸如再循环排放气体、气体燃料等；以及活塞，其连接到可旋转曲轴并被配置成在缸膛内往复运动。活塞具有面向火焰层表面的冠部分，从而使得燃烧室被限定在缸膛内以及冠部分的顶部表面与火焰层表面之间。冠部分包括碗状物和壁，碗状物具有大致凹入的形状并在冠部分内延伸，壁围绕活塞外围延伸。燃料喷射器具有设置成与燃烧室流体连通的喷嘴尖端。喷嘴尖端具有多个喷嘴孔或开口，这些喷嘴孔或开口被配置成将多个燃料射流喷射到燃烧室中，多个燃料射流中的每一个沿着相应的燃料射流中心线设置。

在一个实施例中，多个突起部邻近壁设置在碗状物中。多个突起部中的每一个包括第一侧表面和第二侧表面，第一侧表面具有大致凹入的形状，第二侧表面具有大致平坦或凸出的形状。在发动机运行期间，通过进气门提供到燃烧室中的旋流空气团与通过燃料喷射器提供的燃烧空气和燃料的逆旋流团混合。膨胀的火焰对抗旋流空气，从而使得火焰指向燃烧室的中心，在该中心存在额外的氧气，以促进气缸中燃料的有效燃烧。

另一方面，本发明描述了一种用于内燃发动机的活塞。活塞包括活塞体、在活塞体的顶部表面下方延伸的冠部分，冠部分包括碗状物和壁，碗状物具有大致凹入的形状并在冠部分和壁内延伸，壁围绕活塞体周向延伸，多个突起部邻近壁设置在碗状物中，多个突起部中的每一个包括第一侧表面和第二侧表面，第一侧表面具有大致凹入的形状，第二侧表面具有大致平坦或凸出的形状。

附图说明

图1是根据本发明的发动机燃烧室的横截面。

图2是根据本发明第一实施例的发动机活塞的横截面俯视图。

图3是根据本发明第二实施例的发动机活塞的横截面俯视图。

图4是根据本发明第三实施例的发动机活塞的横截面俯视图。

图5是根据本发明第四实施例的发动机活塞的横截面俯视图。

具体实施方式

本发明涉及内燃发动机，更具体地涉及结合在发动机的至少一个燃烧室中的特征，以将由单独的燃料喷射器喷嘴开口提供的燃料射流重定向到燃烧室的中心部分(例如，重定向到燃料喷射器)，即使对于其中进入的空气可能包括旋流的气缸也是如此。在本发明中，术语“射流”或“燃料射流”描述了单独地或与空气混合地提供到发动机气缸中的反应(即燃烧)或非反应燃料流。因此，这些燃料射流可以包括分散在空气中的燃料滴，或者燃料开始与周围空气氧化时的火焰。根据本发明，与先前提出的或已知的燃烧系统相比，燃料射流在大部分喷射时间和/或燃烧时间内被改变方向并且也被分离，从而促进燃烧室中燃料/空气更好地混合以及燃料/空气混合物更加均匀。

本文所述的各种示例性实施例包括结构和特征，这些结构和特征操作或导致燃料射流相对于发动机缸膛径向地重定向，从而最小化或至少延迟进入燃烧室的相邻燃料射流之间的相互作用。提供给气缸的燃料类型可以是液体燃料(诸如柴油或汽油)的喷雾，或者气体燃料(诸如天然气或石油气)的射流。该设计被配置为向流体的组合空气和燃料移动团施加非对称效应，流体最初均具有旋流集合速度矢量，并且被重定向为具有朝向活塞孔中心的集合径向速度矢量。

换句话说，进入气缸的空气可以具有旋流，即每个空气颗粒的径向和主要切向速度分量。当燃料注入燃烧室时，燃料与空气混合。燃料颗粒或液滴通常具有径向速度分量，使得当燃料液滴混合并蒸发到旋流空气中时，所得混合物的切向速度分量减小，但没有消除。剩余的切向速度分量被活塞上的突起部上出现的不均匀或非对称表面抵消，这将逆旋流切向速度分量赋予撞击突起部表面并受突起部表面影响的燃料/空气混合物。因此，燃料/空气混合物的逆旋流切向速度分量抵消或消除了旋流空气团的原始切向速度，从而使得所得燃料/空气混合物具有径向向内的速度分量。以这种方式，燃烧的空气/燃料混合物相对于活塞被向内定向，在活塞处可以获得额外的氧气来支撑燃烧的燃料。所公开的实施例可以被定制成对抗可能存在于发动机气缸中的许多不同的特定旋流模式，并且基本上将旋流燃烧系统转变成静态燃烧系统。这种燃烧系统的一些优点包括减少排热，因为火焰被导向气缸的中心并远离围绕和限定汽缸的发动机金属结构，减少排热又导致部件温度更低、燃料效率提高以及燃料/空气混合物更加均匀，这也导致更低的发动机排放。

图1示出了根据本发明的发动机101的燃烧室100的横截面。燃烧室100具有大致圆柱形的形状，其限定在缸膛102内，该缸膛102形成于发动机曲轴箱或发动机缸体104内。燃烧室100的一端由气缸盖108的火焰层表面106进一步限定，另一端由往复设置在缸膛102内的活塞112的活塞冠110限定。燃料喷射器114安装在气缸盖108中。燃料喷射器114具有尖端116，该尖端116通过火焰层表面106在燃烧室100内突出，使得燃料喷射器114能够直接将燃料喷射到燃烧室100中。

在发动机101运行期间，当一个或多个进气门117(示出了一个)在进气冲程期间打开时，空气经由进气通道115进入燃烧室100。如同在大多数发动机中的情况，通过一个或多个进气门117进入燃烧室100的进入气流将是高度湍流的，并且具有围绕一个或多个轴线的旋流部分，这些旋流部分通过进气通道115中的各种弯曲和拐角以及其他结构(诸如经过进气门117并围绕进气门117的空气)而被施加到气流中。在已知的配置中，高压燃料被允许流过尖端116中的多个喷嘴开口。每个喷嘴开口产生燃料射流118，燃料射流118通常分散以产生燃料/空气混合物，该混合物在压燃式发动机中自动点燃并燃烧。燃料射流118可以从喷射器以110度至150度之间的夹角β来提供，也可以使用其他角度。当燃料流过喷射器开口时，燃料射流118沿大致径向向外的方向进入燃烧室100。燃烧后，当一个或多个排气门122(示出了一个)在排气冲程期间打开时，排放气体通过排气导管120从燃烧室排出。

燃烧气缸中燃料/空气混合的均匀性和程度与燃烧效率以及形成的燃烧副产物的数量和类型相关。例如，在燃烧事件期间，由于混合不充分或这些区域周围可获得的空气不足而可能局部存在于燃烧室100内的富燃料混合物可能导致更高的烟灰排放和更低的燃烧效率。在例示的实施例中，通过形成多个突起部来管理每个燃料射流的改进的燃料/空气燃烧，这些突起部不对称地汇集或引导当气缸中的空气和燃料流燃烧时所产生的火焰。在火焰通过与活塞碗状物中的特征相互作用而被重定向之后，火焰传播的方向使得至少一部分火焰被定向以对抗气缸中存在的旋流。定向火焰和旋流空气的净效果是火焰朝向活塞中心的方向，在活塞中心可得到空气，以获得空气/燃料混合物，该空气/燃料混合物具有所需的空气/燃料比。每个突起部具有两侧，即第一侧和第二侧，第一侧具有大致凹入的形状和面向或逆着旋流方向的法向矢量，第二侧具有大致平坦和/或凸出的形状和法向矢量，该法向矢量面向燃烧室100中空气旋流方向或沿着与空气旋流方向相同的方向。以这种方式，每个突起部在其中任一侧上服务、接受、重定向和隔离源自燃料喷射器中的多个喷嘴开口的两个相邻燃料射流中的每一个的一部分，并且将它们重定向到燃烧室100的中心。

图2示出了活塞112的第一示例性实施例。在图2的图示中，为了说明，从顶部视角仅示出了活塞112的活塞冠110的顶部表面200的横截面。活塞112包括形成在活塞冠110中的碗状物124，碗状物124包括位于圆锥形凸面128中心的中心凸起的圆锥形突起部126。碗状物124具有大致圆形的外围，并且限定在圆形冠壁130内。顶部表面200中包括多个突起部202，突起部202设置在碗状物124内并沿着碗状物124的邻近壁130的外围。本文示出了六个突起部202，但是应当理解，根据喷射器尖端116中喷嘴开口的数量，可以使用任意数量的突起部。顶部表面200中的突起部沿着均匀分布的径向轴线204以固定的间距布置。每个轴线204在燃料喷射器114的相邻喷嘴尖端开口的喷射方向之间以完全相同的角度设置，使得燃料射流118将在两个相邻轴线204之间沿径向从尖端116射出，如图所示。

在图2所示的示意性实施例中，在不同的时间实例中示出了两个相邻燃料喷嘴118的形成。在燃料射流118已经从尖端116射出但尚未到达壁130的瞬间，在图的右侧示出了较低的未完全形成的射流。在此期间，在喷射的初始时间，气缸中的空气，以及因此碗状物124内和上方的空气，可以在由方框箭头“S”指示的逆时针方向上具有大致圆形或螺旋形的动量。当燃料射流118行进通过空气的运动区域时，空气的速度，其可能包括切向速度矢量，因为如果旋流动量可能不影响燃料射流118的径向行进方向(至少在初始时)。然而，在稍后的时刻，如逆时针方向所示和原始射流的左侧所示的燃料射流118(朝向附图的顶部)，燃料射流或火焰118可以撞击壁130并分离成两个切向射流，每个切向射流朝向撞击部位侧面的两个相邻突起部202。

如图2所示，突起部202呈现不同的轮廓或形状，以不对称地引导撞击到其上的切向射流。为了说明，每个突起部202包括：第一侧面206，其面向与漩流S相反的方向；和第二侧面208，其面向与漩流S相同的方向。在本文使用的术语中，突起部的每个侧面“面向”的方向是指法线矢量指向的方向，法线矢量大致垂直于相应侧面并且在相对于突起部的向外方向上远离表面。为了说明，两个这样的矢量V1和V2显示在图左侧的突起部202中的一个上。在各种实施例中，突起部的第一侧面和第二侧面可以因活塞的不同而不同，但是它们都将共享相似的趋势，即每个突起部202的第一侧面206(例如在面向旋流方向S的一侧)将是大致凹形的，从而使得向撞击第一侧面206并被第一侧面206重定向的流体提供较大的旋转效果，以抵消在旋流方向S上存在的旋流；相同的趋势还包括，每个突起部202的第二侧面208(例如在背离旋流方向S的一侧)将是大致平坦或凸形的，从而使得撞击第二侧面208并被第二侧面208重定向的流体具有较小的转向效果，因为这些流体已经在与旋流方向S相反的方向上转向。

从图2可以看出，当燃料射流118撞击到壁130上时，燃料射流118分成许多支流(包括沿着壁130的曲率的两个切向流)直到它们遇到突起部202，突起部202位于特定燃料射流118沿着壁130撞击的区域的侧面。这两个切向射流可以被称为顺时针(CW)子射流，即在相对于特定燃料射流118位于顺时针方向的位置转动的子射流，以及逆时针(CCW)子射流，即在相对于特定燃料射流118位于逆时针方向的位置转动的子射流。为了在燃烧室100中更完全地燃烧，希望CW燃料子射流和CCW燃料子射流在径向方向上朝向燃烧气缸的中心前进。考虑到气缸中的旋流S，第一侧面206和第二侧面208的不同形状可以实现这一点。因此，所示实施例中的CW子射流使第二侧面208浅关闭，因为当其向尖端116前进时，其将顺着旋流S被携带。基于同样的原因，特定CCW子射流使第一侧表面206较突然地关闭，因为当其逆着旋流前进时，其路线也将被调整。

图3示出了活塞112的另选的或第二示例性实施例。在图3的图示中，为了简单起见，与图2所示实施例的相应特征和结构相同或相似的特征和结构用相同的附图标记来表示。在图3的实施例中，为了说明，从顶部视角仅示出了活塞112的活塞冠110的顶部表面300的横截面。活塞112包括碗状物124，碗状物124在表面128的中心具有圆锥形突起部126，表面128可以具有平坦的或如图1所示的凸形或圆锥形轮廓。顶部表面300中包括多个突起部202，突起部202设置在碗状物124内并沿着碗状物124的邻近壁130的外围。本文示出了六个突起部202，但是应当理解，根据燃料喷射器114的尖端116中喷嘴开口的数量，可以使用任意数量的突起部。

不同于顶部表面200中的突起部(图2)，顶部表面300中的突起部202以不固定的间距设置，例如，以相对于均匀分布的径向轴线204成一定角度来设置。至少一个突起部202’被示出在表面300的左上侧，表面300形成在相对于最近的轴线204顺时针旋转的位置，但是应当理解，可以以这种方式定位多于一个或者全部的多个突起部。多个凸起202中的一个或多个的这种布置可以增强逆旋流动量的效果，当凸起沿与旋流方向相反的方向或沿旋流方向S中的方向被钟控时，逆旋流动量被提供给以在气缸内形成火焰。为了减少逆旋流效应，突起部可以在与旋流方向相同的方向被钟控，在该实施例中，将使突起部相对于轴线204以角度α位于逆时针方向。例如，当空气以锐角进入气缸时，逆旋流效应的增加或减少可用于解决气缸内的局部旋流作用。

图4示出了活塞112的另一种另选的或第三示例性实施例。在图4的图示中，为了简单起见，与图2所示实施例的相应特征和结构相同或相似的特征和结构用相同的附图标记来表示。在图4的实施例中，为了说明，从顶部视角仅示出了活塞112的活塞冠110的顶部表面400的横截面。如在前面的实施例中，活塞112包括碗状物124，碗状物124在圆锥形凸形表面128的中心具有锥形突起部126。顶部表面400中包括多个突起部202，突起部202设置在碗状物124内并沿着碗状物124的邻近壁130的外围。本文示出了六个突起部202，但是应当理解，根据燃料喷射器114的尖端116中喷嘴开口的数量，可以使用任意数量的突起部。

与顶部表面200(图2)或顶部表面300(图3)中的突起部不同，顶部表面400中的至少一个突起部202”按比例大于多个突起部中的其余突起部。该至少一个较大的突起部202”示出在表面400的右上侧，并且形成在相对于最近的轴线204顺时针旋转的位置，但是应当理解，可以以这种方式实现多于一个或者全部的多个突起部。此外，顶部表面400包括沿着活塞的两半以相反方向定向的突起部，如图所示为“A”侧和“B”侧。这可能是因为在整个进气团进入气缸内的净旋流之前，至少暂时在气缸内产生不同的旋流。瞬态旋流由箭头S表示，其中例如在具有两个进气门的气缸中产生两个相反的旋转，两个进气门接收具有不同旋转特性的空气。因此，当表面206”面对活塞的B侧上的旋流时，表面306可以面对活塞的A侧上的相反旋流，以将正在形成的火焰导向气缸的中心，特别是在发动机中，其中进气门关闭较晚可能使得净旋流没有足够的时间停留在气缸中。

图5示出了活塞112的另一种另选的或第四示例性实施例。在图5的图示中，为了简单起见，与图2所示实施例的相应特征和结构相同或相似的特征和结构用相同的附图标记来表示。在图5的实施例中，为了说明，从顶部视角仅示出了活塞112的活塞冠110的顶部表面500的横截面。如在前面的实施例中，活塞112包括碗状物124，碗状物124在圆锥形凸形表面128的中心具有锥形突起部126。顶部表面500中包括多个突起部502，突起部202设置在碗状物124内并沿着碗状物124的邻近壁130的外围以固定的间距设置，间距与轴线204重合。本文示出了六个突起部202，但是应当理解，根据燃料喷射器114的尖端116中喷嘴开口的数量，可以使用任意数量的突起部。

不同于顶部表面200中的突起部(图2)，顶部表面500中的突起部502中的至少一个在径向上成比例地长于多个突起部中的其余突起部，因为突起部从活塞的中心径向延伸到径向距离R1，该径向距离R1小于多个突起部中的另一突起部的径向距离R2。在所示的实施例中，活塞中使用三种不同的突起部长度。该至少一个较长的突起部502示出在表面500的左上侧，但是应当理解，可以以这种方式形成一个以上的突起部。当气缸内部的局部旋流模式靠近气缸的中心部分时，可以使用较长的突起部。

工业实用性

如相对于本文所示的实施例所述的，本发明不仅适用于具有往复活塞的内燃发动机，还适用于其他类型的应用，诸如燃气轮机、工业燃烧器等。通常，各种不对称突起部可以形成为燃料射流在被喷射器喷射到燃烧室中时将撞击的结构。突起部的弧形凹口以及其提供的燃料射流和羽流的重定向和分离有效地促进了更快的燃烧和对气缸中心更富氧区域的形成中的火焰的重定向。

应当理解，前面描述提供了所公开的系统和技术的示例。但可以设想，本发明的其他具体实施可以在细节上不同于前述示例。对本发明及其实施例的所有引用都应涉及关于该问题讨论的具体实施例而不应隐含任何限制，而本发明的范围更宽泛。所有对于某些特征的区别和贬低的描述只是用来表示这些特征并不是优选的，除非另外说明，并不打算将这些特征完全排除在本发明的范围之外。

于此所列举的数值范围仅意欲作为一种简写的方法，该方法单独表示了每个单独的落在该范围内部的数值，除非于此另外作出指示，并且每个单独的数值被结合到说明书中，正如对它于此单独进行说明的那样。除非在本文另有说明或上下文明显矛盾，否则，本文所述的所有方法可以以任何合适的顺序进行。

Claims (10)

1.一种内燃发动机，包括：

发动机缸体，其具有缸膛；

气缸盖，其具有设置在所述缸膛一端的火焰层表面；

进气门，其与所述气缸盖相关联，并被配置成打开并使得空气能够流入所述缸膛；

活塞，其连接到可旋转的曲轴上，并被配置成在所述缸膛内沿着纵向方向往复运动，所述活塞具有面向所述火焰层表面的冠部分，从而使得燃烧室被限定在所述缸膛内以及所述冠部分的顶部表面与所述火焰层表面之间，所述冠部分包括活塞碗状物，所述活塞碗状物具有凹入的形状并在所述冠部分和壁内延伸，所述壁沿着周向方向围绕所述活塞外围延伸；

燃料喷射器，其具有设置成与所述燃烧室流体连通的喷嘴尖端，所述喷嘴尖端具有多个喷嘴开口，所述喷嘴开口被配置成将多个燃料射流喷射到所述燃烧室内，所述多个燃料射流中的每一个沿着相应的燃料射流中心线设置；

多个突起部，其邻近所述壁设置在所述活塞碗状物中，所述多个突起部中的每一个包括

顶端，

第一侧表面，所述第一侧表面从所述壁延伸到所述顶端，以及

第二侧表面，所述第二侧表面从所述壁延伸到所述顶端，所述第二侧表面沿着所述周向方向背离所述第一侧表面，所述顶端设置成沿着径向方向比所述壁更接近于所述燃烧室的中心，所述径向方向垂直于所述纵向方向，

所述第一侧表面在参考平面内具有凹入的形状，所述第二侧表面在所述参考平面内具有平坦或凸出的形状，所述参考平面仅由所述径向方向和所述周向方向限定，所述参考平面垂直于所述纵向方向；

其中，在运行期间，通过所述进气门提供到所述燃烧室中的旋流空气团与逆旋流火焰相互作用，所述逆旋流火焰包括由所述燃料喷射器提供的空气和燃料，从而使得所述相互作用结果的净效果导致所述火焰朝所述燃烧室的中心定向。

2.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述旋流空气团适于至少部分地沿旋转方向旋转，并且其中，所述旋流空气团与所述火焰的相互作用模拟所述燃烧室中的静态燃烧。

3.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述多个喷嘴开口的数量与所述多个突起部的数量相匹配。

4.根据权利要求3所述的内燃发动机，其中，所述多个突起部沿着沿所述顶部表面均匀分布的径向轴线以固定的间距布置，每个分布的径向轴线以一定角度设置，所述角度介于所述燃料喷射器的相邻喷嘴开口的喷射方向之间，从而使得每个燃料射流在两个相邻分布的径向轴线之间沿径向方向射出。

5.根据权利要求4所述的内燃发动机，其中，每个燃料射流适于在撞击位置撞击所述壁，并在所述活塞碗状物内分成两个切向射流，每个切向射流从位于所述撞击位置侧面的所述多个突起部朝向两个相邻突起部前进。

6.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述多个突起部中的至少一个以角度α围绕所述活塞碗状物以不固定的间距设置。

7.根据权利要求6所述的内燃发动机，其中，多个突起部围绕所述活塞碗状物以角度α布置，从而使得所述多个突起部中的每一个的所述第一侧表面比所述多个突起部的所述第二侧表面更靠近所述多个喷嘴开口。

8.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，每个燃料射流适于在相应的撞击位置撞击所述壁，并且其中，至少一个相应的撞击位置设置在围绕所述活塞碗状物的外围位置，所述外围位置比两个相邻突起部的第二侧表面更靠近第一侧表面。

9.根据权利要求1所述的内燃发动机，其中，所述多个突起部中的至少一个在径向上长于所述多个突起部中的其余突起部。

10.根据权利要求9所述的内燃发动机，其中，所述多个突起部中的突起部子集相对于所述活塞延伸不同的径向距离。

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