CN110905682B - 活塞、包括发动机的系统和燃烧系统 - Google Patents

Abstract

提供了多种不同的活塞、包括发动机的系统和燃烧系统。所述活塞具有活塞冠，所述活塞冠包括多个凸起，用于增强燃烧室中的混合。作为一个示例，活塞冠包括多个凸起，所述多个凸起从所述活塞冠的顶表面向外延伸并围绕活塞冠的圆周彼此间隔开，随着所述凸起从所述活塞冠的中心轴线向外延伸，所述多个凸起中的每个凸起的高度增加并且宽度减小。

Description

活塞、包括发动机的系统和燃烧系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年9月18日提交的名称为“机车发动机”(“LOCOMOTIVEENGINE”)的美国临时专利申请No.62/732,948的优先权，上述申请的全部内容适用全部目的地以参考方式结合于此。

技术领域

这里公开的主题的实施例涉及用于发动机的燃烧系统的活塞的活塞冠。

背景技术

用于发动机的燃烧系统可包括由气缸和设置在气缸中的活塞形成的燃烧室。燃烧室的顶部可包括燃料喷射器，用于朝向活塞的顶部将燃料喷射到燃烧室中。活塞包括活塞冠，活塞冠具有面向燃料喷射器的顶表面。在压燃式发动机中，活塞在气缸内移动以压缩燃烧室内的空气。然后，燃料喷射器将燃料喷射到燃烧室中，并且喷射的燃料与热的压缩空气混合并点燃。

发明内容

在一个实施例中，活塞包括活塞冠。所述活塞冠包括多个凸起，所述多个凸起从所述活塞冠的顶表面向外延伸并围绕所述活塞冠的圆周彼此间隔开。随着所述凸起从所述活塞冠的中心轴线向外延伸，所述多个凸起中的每个凸起的高度增加并且宽度减小。

附图说明

图1示出了根据本公开一个实施例的具有发动机的车辆的示意图。

图2示出了根据本公开一个实施例的多燃料发动机的示例气缸的示意图。

图3示出了根据本公开一个实施例的燃烧系统，该燃烧系统包括具有凸起的活塞冠。

图4示出了根据本公开一个实施例的图3中的凸起的截面图。

图5A示出了具有位于相邻凸起之间的凹陷的活塞冠的实施例，图5B是图5A中沿5B-5B线截取的局部剖视图。

图6A和图6B示出了不同凸起表面配置的实施例。

图7是具有弯曲侧表面的凸起的实施例的俯视图。

图8是活塞冠的一个实施例的径向剖视图，该活塞冠具有带阶梯形第一端的凸起。

图9示出了具有掠翼几何形状的凸起的示例。

图10和图11示出了相对于一组进气阀和排气阀的活塞方向的示例。

其中，图3-4大致按比例显示。

具体实施方式

以下描述涉及活塞的活塞冠的实施例，活塞适于安装在燃烧系统的气缸中。作为一个示例，活塞冠包括多个凸起，该多个凸起从活塞冠的顶表面向外延伸并沿活塞冠的周向彼此间隔设置，随着凸起从活塞冠的中心轴线向外延伸，多个凸起中的每个凸起的高度增加并且宽度减小。以这种方式，每个凸起可以朝向包括燃料喷射器的燃烧室的顶部凸出，并凸出到燃烧系统的燃烧室中。燃料喷射器可以居中地位于燃烧室的顶部，并且因此与活塞冠的中心轴线对齐。燃料喷射器可以包括多个围绕燃料喷射器的尖端的周向的多个喷嘴孔，每个喷嘴孔适于朝向活塞冠的顶部向下和向外喷射燃料。活塞冠的每个凸起可以这样布置使得来自每个喷嘴孔的喷雾可以被在两个相邻凸起之间的部分的活塞冠接收。凸起的形状可以增强燃烧室内空气和燃料的混合，从而提高燃烧效率并减少未燃烧的碳氢化合物和燃烧过程产生的特定排放物。在一个示例中，凸起可以是楔形的并且从活塞冠的基部凸出。例如，凸起可以具有从位于靠近中心轴线的第一端到位于靠近活塞的外周边的第二端高度增加并且宽度减小的几何形状。在一些示例中，几何形状可以是掠翼，使得凸起可以从第一端到第二端的高度增加并且宽度减小，但是第一端相对于第二端偏移。

这里描述的方法可以用于多种不同的发动机类型和多种不同的发动机驱动系统，这些系统中的一些可以是静止的，而其他系统可以是半移动或移动平台。半移动平台可以在操作期间重新定位，例如安装在平板拖车上。移动平台包括自动车辆，这种车辆可以包括公路运输车辆，以及采矿设备，船舶，铁路车辆和其他非公路车辆(OHV)。为了清楚说明，结合本发明的实施例提供了有轨汽车(例如，机车)作为支撑系统的移动平台的示例。

公开了一种平台的示例，其中，包括燃烧系统的发动机可以安装在车辆中，例如有轨汽车。图1示出了一个实施例的车辆系统100的框图，这里示出为车辆106。所示车辆是有轨汽车，其配置成通过多个车轮112在轨道102上行驶。如图所示，该车辆包括具有发动机104的发动机系统。在这里的一个实施例中，发动机是利用柴油燃料和天然气工作的多燃料发动机，但是在其他示例中，发动机可以使用除柴油和天然气之外的多种不同的燃料组合。在又一个实施例中，发动机可以是仅用一种燃料工作的单燃料发动机，例如仅用柴油燃料，汽油或天然气。

发动机从进气通道114接收用于燃烧的进气。进气通道接收来自空气过滤器(未示出)的环境空气，空气过滤器过滤来自车辆外部的空气。发动机燃烧产生的废气被供应到排气通道116，废气流经该排气通道，并由车辆的排气管流出。

发动机系统可以包括涡轮增压器120(“TURBO”)(或增压器)，其布置在进气通道和排气通道之间。该涡轮增压器增加吸入进气通道的环境空气的充气量，以便在燃烧期间提供更大的充气密度，以增加输出功率和/或发动机运行效率。该涡轮增压器可以包括压缩机(图1中未示出)，压缩机至少部分地由涡轮机(图1中未示出)驱动。尽管在这种情况下示出了单个涡轮增压器，但是其他系统可以包括多个涡轮和/或压缩机级。在其他实施例中，发动机系统可以不包括涡轮增压器。

在一些实施例中，发动机系统可以包括连接在涡轮增压器上游或下游的排气通道中的废气处理系统，在包括柴油发动机的一个示例性实施例中，废气处理系统可以包括柴油氧化催化剂(DOC)和柴油微粒过滤器(DPF)。在其他实施例中，废气处理系统可以附加地或替代地包括一个或多个排气控制装置。该排气控制装置可以包括选择性催化还原(SCR)催化剂，三元催化剂，NOx捕集器，以及过滤器或其他系统和装置。

可以采用控制器(例如，电子控制器)148来控制与车辆系统相关的多种不同的部件。在一个示例中，控制器包括计算机控制系统，该控制器还包括计算机可读存储介质(未示出)，其包括用于实现有轨汽车操作的车载监视和控制的代码。在监督车辆系统的控制和管理的同时，控制器可以接收来自多种不同的传感器150的信号，如这里进一步详述的，这可以确定操作参数和操作条件，并相应地调节多种不同的发动机驱动器152以控制车辆的操作。例如，控制器可以从多种不同的发动机传感器接收信号，这些信号包括但不限于发动机速度、发动机负载、增压压力、排气压力、环境压力、排气温度等。相应地，控制器可以通过向诸如牵引电动机、交流发电机、气缸阀、节气门等多种不同的部件发送命令来控制车辆系统的情况和操作。

如图1所示，发动机包括多个气缸108。尽管图1示出了具有8个气缸的发动机，但其它数量的气缸也是可能的(例如12个气缸布置成两排，每组有6个气缸，或者6个气缸布置成单独的一排)。

图2示出了燃烧系统205的实施例，该燃烧系统205包括多缸内燃机的腔室或气缸200，例如上面参照图1描述的发动机。例如，气缸可以是图1中所示的气缸108中的任意一个。气缸可以由气缸盖201和气缸体203限定，气缸盖201容纳如下所述的进气和排气阀以及液体燃料喷射器。

发动机可以至少部分地由包括控制器148的控制系统控制，控制器148可以进一步地与车辆系统通信，例如上面参考图1描述的机车。如上所述，控制器还可以接收来自多种不同的发动机传感器的信号，这些信号包括但不限于发动机速度，发动机负载，增压压力，排气压力，涡轮增压器速度，环境压力，二氧化碳(CO₂)水平，排气温度，氮氧化物(NOx)排放，来自连接到冷却套管228的温度传感器230的发动机冷却剂温度(ECT)，爆震传感器数据等。相应地，控制器可以通过向诸如交流发电机，气缸阀，节气门，燃料喷射器等多种不同的部件发送命令来控制车辆系统。

气缸(即燃烧室)可以包括内部具有活塞206的气缸套204。活塞的最顶部(例如，面向燃烧室顶部的包括如下所述的进气和排气阀以及燃料喷射器的部分)在本文中可称为活塞冠。活塞可以连接到曲轴208，使得活塞的往复运动通过连杆转换为曲轴的旋转运动。曲轴可以包括用于输出曲轴的速度(例如，瞬时速度)的曲轴速度传感器。在一些实施例中，发动机可以是四冲程发动机，其中每个气缸在曲轴的两次旋转期间以点火顺序点火。在其它实施例中，发动机可以是二冲程发动机，其中每个气缸在曲轴的一次旋转期间以点火顺序点火。

气缸从包括进气通道210的进气装置接收用于燃烧的进气。例如，进气通道经由进气歧管接收进气。进气通道可以与除了该气缸外的发动机的其它气缸连通，或者进气通道可以仅与该气缸连通。

由发动机中燃烧产生的废气供应给包括排气通道212的排气装置。在一些实施例中，废气流经排气通道，到达涡轮增压器(图2中未示出)并且经由排气歧管流到大气。例如，排气通道还可以接收除了该气缸之外的来自发动机的其他气缸的废气，或者排气通道可以仅与该气缸连通。

发动机的每个气缸可包括一个或多个进气阀和一个或多个排气阀。例如，所示的气缸包括至少一个进气提升阀214和至少一个排气提升阀216，进气提升阀214和排气提升阀216位于气缸上部区域。在一些实施例中，发动机的包括该气缸的每个气缸可包括至少两个进气提升阀和至少两个排气提升阀，进气提升阀和排气提升阀位于气缸盖处。

进气阀可以由控制器通过驱动器218控制。类似地，排气阀可以由控制器通过驱动器220控制。在某些情况下，控制器可以改变提供给驱动器的信号以控制相应的进气阀和排气阀的打开和关闭。相应地，进气阀和排气阀的位置可以分别由相应的阀位置传感器222和224，和/或凸轮位置传感器确定。例如，阀驱动器可以是电动阀驱动型或凸轮驱动型，或它们的组合。

进气和排气阀正时可以同时控制，或者可以使用可变进气凸轮正时，可变排气凸轮正时，双独立可变凸轮正时或固定凸轮正时的任意可能性。在其它实施例中，进气和排气阀可以由共同的阀门驱动器或驱动系统控制，或由可变阀门正时驱动器或驱动系统控制。此外，进气和排气阀可以通过控制器基于操作条件控制以具有可变升程。

在更进一步的实施例中，机械凸轮凸角可用于打开和关闭进气和排气阀。另外，虽然上面描述了四冲程发动机，但是在一些实施例中，可以使用二冲程发动机，其中省去进气阀并且气缸壁中的端口被设置成当活塞移动以打开端口时允许进气进入气缸。尽管在一些示例中可以使用排气阀，但是这也可以延伸到排气装置。

在一些实施例中，发动机的每个气缸可配置有一个或多个用于向其提供燃料的燃料喷射器。作为非限制性示例，图2示出了包括燃料喷射器226的气缸。燃料喷射器显示为直接连接到气缸，用于通过一个或多个喷嘴孔直接在其中喷射燃料。通过这种方式，燃料喷射器提供所谓的向燃烧气缸中直接喷射燃料。燃料可以从第一液体燃料系统232输送到燃料喷射器，第一液体燃料系统232可以包括燃料箱，燃料泵和燃料轨道。在一个示例中，燃料是柴油，其通过压燃在发动机中燃烧。在其他非限制性实施例中，燃料可以是汽油，煤油，生物柴油或其他通过压燃(和/或火花点火)的具有相似密度的石油馏分。在一个示例中，控制器可以控制经由燃料喷射器输送到气缸的燃料的量，持续时间，正时和喷射模式。如下面进一步解释的，气缸的加油可以通过控制器基于涡轮增压器速度波动驱动燃料喷射器来控制。

此外，发动机的每个气缸可以配置成接收替代柴油燃料或除柴油燃料之外的气体燃料(例如，天然气)。气体燃料可以通过进气歧管提供给气缸。如图2所示，进气通道可以通过位于气缸上游的一个或多个气体燃料管线，泵，压力调节器等接收来自第二气体燃料系统234的气体燃料供应。在一些实施例中，气体燃料系统可以远离发动机定位，例如在不同的车辆上(例如，在燃料供应车上)，并且气体燃料可以经由一个或多个穿过不同车辆的燃料管线供应到发动机。然而，在其他实施例中，气体燃料系统可以与发动机位于同一车辆上。

多个气体允入阀，例如气体允入阀236，可配置成经由相应的进气通道将气体燃料从气体燃料系统供应到每个相应的气缸。例如，可以调整气体允入阀的打开时间(在发动机曲柄位置或发动机曲柄角度)和/或打开的持续时间，以调节提供给气缸的气体燃料的量。调整打开时间(例如，当气体允入阀打开和关闭时)在本文中可称为调整气体燃料的诱导正时。作为一个示例，气体允入(或气阀)打开的持续时间由对应于气体允入阀的打开和关闭的发动机曲柄角度限定。每个相应的气缸可以由单独的气体允入阀提供气体燃料，允许单独的气缸控制提供给气缸的气体燃料的量。然而，在一些实施例中，可以使用单点熏蒸系统，其中气体燃料在气缸上游的单个点处与进气混合。在这种配置中，每个气缸可以被提供基本相似量的气体燃料。为了调节由单点熏蒸系统提供的气体燃料的量，在一些示例中，气体燃料控制阀可以定位在气体燃料供应管线与发动机进气供应管线或进气歧管之间的接合处。气体燃料控制阀打开时间(在发动机曲柄角度或发动机曲柄位置)和/或打开的持续时间可以调整，以调节进入气缸的气体燃料的量。在其他示例中，在单点熏蒸系统中进入气缸的气体燃料的量可以通过另一种机构来调节，例如通过控制气体燃料泵来控制气体燃料调节器等。在另一些实施例中，来自气体燃料系统的气体燃料可以直接喷射到发动机气缸中。例如，每个气缸可包括直接连接到发动机气缸的直接燃料喷射器或气体允入阀(类似于阀236)。以这种方式，柴油和气体燃料都可以直接喷射到各个发动机气缸中(例如，在高压“双燃料”直接喷射系统中)。另外，在一个实施例中，每个发动机气缸可包括用于在发动机气缸处点燃燃料(例如天然气)的火花塞。在另一个实施例中，每个发动机气缸可包括用于在发动机气缸处点燃燃料的备用点火装置(除了火花塞之外)，例如激光器或备用点火源。

现在转向图3，示出了燃烧系统300。该燃烧系统可以与图2中所示的燃烧系统205类似，且可以包括发动机，例如图1和图2中所示的发动机104。在一个实施例中，包括燃烧系统的发动机可以是压燃燃烧系统，其中燃料喷射器布置在活塞的正上方并适于将燃料直接喷射到燃烧室中。图3包括参考轴350，其包括x轴，y轴和z轴，其中燃烧系统的中心轴线306和燃烧系统的活塞304沿z轴的方向布置。

如图3所示，燃烧系统300包括燃料喷射器302和活塞304。燃料喷射器可以位于燃烧室(例如图2中所示的燃烧室200)的顶部。活塞具有中心轴线306，并且燃料喷射器布置为与中心轴线对齐，以使得燃料喷射器在燃烧室中心，在活塞上方。燃料喷射器包括围绕燃料喷射器的尖端的圆周布置的多个喷嘴孔308。燃料通过每个喷嘴孔从燃料喷射器朝向活塞喷射到燃烧室中。来自每个喷嘴孔的示例性燃料喷雾310在图3中示出。在图3所示的例子中，有四处燃料喷雾，四处燃料喷雾中的每一处分别来自喷嘴孔中的一个。因此，图3中示出的燃料喷射器包括四个喷嘴孔。然而，在替代的实施例中，燃料喷射器可包括多于或少于四个的喷嘴孔(例如，两个，三个，五个，六个等)。

活塞包括位于活塞顶部的活塞冠312。活塞冠具有顶表面316，顶表面316向上面向燃料喷射器和燃烧室的顶部，活塞安装在燃烧室内。活塞冠的顶表面也可以称为活塞冠的基部。在一些示例中，活塞冠的顶表面316可以包括活塞碗。活塞冠具有外周边318，外周边由活塞冠(和活塞)的外径320限定。在图3中，活塞冠的顶表面显示为平面。然而，在替代的实施例中，活塞冠的顶表面(或基部)可以具有不同的几何形状，例如弯曲表面、波浪状表面、间隔开的凹陷、凸起等。例如，在一个实施例中，活塞冠的顶表面可以包括在每组相邻布置的凸起322之间的凹陷，如下面的进一步说明。在其他实施例中，活塞冠可以具有位于外周边处的升高的唇缘，并且活塞冠的顶表面的剩余部分可以从升高的唇缘向下倾斜至活塞冠。以这种方式，活塞冠的基部或顶表面可以是活塞冠的面向燃料喷射器和燃烧室的顶部的外表面，其从升高的唇缘处凹陷。

活塞冠包括从活塞冠的顶表面向外延伸的多个凸起322。特别地，凸起322向上远离活塞冠的顶表面并朝向燃料喷射器延伸。以这种方式，凸起可以相对于活塞冠的顶表面或基部升高。在一个实施例中，凸起和活塞冠一体集成为整体件，以限定活塞冠的顶表面。例如，凸起和活塞冠可以整体形成为一个件，例如通过模内铸造、从块材料加工，或使用增材制造工艺(例如“3D打印”)，以形成该整体件。

凸起围绕中心轴线并围绕活塞冠的圆周周向彼此间隔开。以这种方式，多个凸起322中的任何一个凸起都不会接触任何其他凸起。每个凸起包括靠近中心轴线布置的第一端324和靠近外周边布置的第二端326。换句话说，第一端布置得比外周边更接近中心轴线，但是第一端与中心轴线隔开一定距离，第二端布置得比中心轴线更接近外周边，但是第二端与外周边隔开一定距离。在替代的实施例中，第一端可以定位在中心轴线处并且/或者第二端可以定位在外周边处。以这种方式，每个凸起从活塞冠的基部沿z轴方向向外延伸，并且从中心轴线朝向外周边径向向外延伸。

相邻布置的凸起之间的每个空间或间隙328适于接收来自于燃料喷射器的喷嘴孔的燃料喷雾。如图3所示，存在四个凸起和四处燃料喷雾(每个喷嘴孔一个)，其中每处燃料喷雾被接收在多个凸起的不同组的两个凸起之间的不同间隔之间。以这种方式，凸起的数量等于燃料喷射器的喷嘴孔的数量。因此，在替代的实施例中，如果燃料喷射器包括三个、五个或六个喷嘴孔，则活塞冠将相应地分别包括三个、五个或六个凸起。

每个凸起322具有楔形或掠翼几何形状，其具有较短端和较高端。如图3所示，每个凸起的第一端的高度矮于每个凸起的第二端的高度。在一个示例中，每个凸起的第一端可以与活塞冠的顶表面齐平，并且每个凸起的第二端相对于第一端和活塞冠的顶表面升高。以这种方式，从活塞冠的中心轴线径向向外至外周边，每个凸起在中心轴线的方向上的高度增加。在替代的实施例中，第一端可以高于第二端，并且每个凸起的高度可以从中心轴线到外周边减小。

还如图3所示，每个凸起的宽度沿凸起从第一端到第二端变化。例如，如图3所示，第一端比第二端宽。在替代的实施例中，第一端可以比第二端窄。如图3所示，从靠近中心轴线的第一端到靠近外周边的第二端，每个凸起增加的高度和减小的宽度，可以适应随着远离燃料喷射器延伸而变宽的燃料喷雾。该几何形状可以产生涡流330，增强燃烧室内的空气和燃料的混合。

关于凸起322的形状的进一步细节在图4中示出。特别地，图4示出了一个凸起322的不同视图，包括俯视图400，侧视图402和端视图404，端视图404是从图3中的截面A-A向中心轴线306看的。俯视图是从燃料喷射器俯视凸起和活塞冠的顶部，侧视图是在第一端324和第二端326之间看凸起的侧面。

如图4所示，凸起的第一端324的第一高度近似为零，使得其与活塞冠的顶表面齐平。然而，在替代的实施例中，第一端的第一高度可以大于零。此外，第二端326的第二高度406大于凸起的第一端的第一高度。以这种方式，整个凸起的高度从第一端到第二端，在从中心轴线延伸到活塞冠的外周边的径向方向上增加。如图4的侧视图和图3所示，凸起具有从第一端和活塞的中心轴线到第二端和活塞的外圆周(例如，周边)高度增加的轮廓。亦如上所述，凸起的宽度可以从第一端到第二端的减小。例如，如图4所示，第一端的第一宽度408大于第二端的第二宽度410。然而，在替代的实施例中，第一宽度可以小于第二宽度。

图4的侧视图还示出了凸起从第一端到第二端的长度412，如图3所示，该长度径向延伸穿过活塞冠。图4的侧视图还示出了凸起的底表面414，其与图3中的活塞冠的顶表面共面接触(尽管如上所述，该底表面可以与活塞冠的顶表面集成为一体)。凸起具有从较宽的第一端到较窄的第二端的倾斜轮廓，其具有限定在凸起的底表面414(和活塞冠的顶表面)和凸起的顶表面418之间的倾角416。倾角可以在5-85度的范围内。在另一个示例中，倾角可以在30-60度的范围内(相对于活塞冠的顶表面)。在另一个示例中，倾角可以在20-50度的范围内。在又一个示例中，倾角可以在30-75度的范围内。该角度随着长度414的减小和/或第二高度406的增加而增加。可以基于活塞的外径来选择凸起的长度(例如，随着活塞外径增加，凸起的长度可以增加)。另外，可以基于活塞冠的最顶表面和燃烧室顶部之间的间隙来选择凸起的第二高度(例如，最大高度)。此外，可以基于燃料喷雾的宽度来选择凸起的第一宽度和第二宽度，燃料喷雾的宽度可以基于燃料喷射器喷嘴孔的几何形状。例如，随着燃料喷雾变宽，凸起的第二宽度可以减小。另外，可以基于凸起的数量来选择第一宽度和第二宽度，凸起的数量可以基于燃料喷射孔的数量。

另外，凸起的几何形状和顶表面还可以由第一角417和第二角419限定。如图4所示，第一角是锐角(小于90度，但大于0度)，第二角是钝角(大于90度，但小于180度)。在一些实施例中，第三角420可以等于第一角(角度可以都为65°)，第四角421可以等于第二角(例如，角度可以都为115°)。在其他实施例中，角度可以不同。例如，第二角可以为100°，第四角可以为130°。这种几何形状可以被称为掠翼几何形状并且可以导致第二端从第一端偏移。例如，第二端的中心可以移位到第一端的中心的右侧或左侧。

如图3和图4所示，每个凸起的顶表面相对于活塞冠的顶表面向上和向外，并且限定在较宽的第一端和较窄的第二端之间。在一个实施例中，如图3和图4所示，每个凸起的顶表面为平面。在另一个实施例中，每个凸起的顶表面为凸面。在又一个实施例中，每个凸起的顶表面为凹面。在又一个实施例中，凸起的顶表面可以为平面，但限定凸起的轮廓(或侧面)的外边缘可以是弯曲的(而不是如图3和图4所示的线性的)。在其他实施例中，附加地或替代地，仅凸起的顶表面或每个外表面可以为不平的面。在其他实施例中，每个凸起的顶表面可以是光滑的。在其他实施例中，每个凸起的顶表面可以包括额外的小凸起、波浪状特征或翅片，以增强燃烧室内的涡流和混合。在又一个实施例中，每个凸起的一个或多个外表面可以被涂层或具有处理过的表面。该涂层或表面处理可以应用到每个凸起的一个或多个外表面，并且/或者每个表面可以包括不同的涂层和/或处理。例如，每个凸起的顶表面可以具有粗糙的涂层或处理，而其余表面(例如，侧表面)是光滑的。在另一个示例中，每个凸起的所有外表面可以被涂层或处理，但是凸起的顶表面上的涂层或处理比侧表面更粗糙。

返回到图3，活塞冠还包括多个分隔件(在此也称为分隔延伸部)332。每个分隔件连接到一个凸起的第二端，并从活第二端向外延伸到活塞冠(和活塞)的外周边。如图3所示，分隔件直接连接到凸起的第二端的中点。在替代的实施例中，分隔件可以从凸起的第二端的中点偏移。分隔件沿其长度336一直延伸到活塞冠的外周边。然而，在替代的实施例中，分隔件可以仅延伸到至外周边的半途，并且与外周边间隔开。在又一个实施例中，如果活塞冠包括在外周边处的升高的唇缘，则分隔件可以在其向上弯曲到升高的唇缘之前延伸至活塞冠的外边缘。

每个分隔件具有高度334和厚度，该高度334等于与其连接的凸起的第二端的高度(第二高度406)，该厚度小于与其连接的凸起的第二端的宽度(第二宽度410)。在一个替代的实施例中，分隔件的高度可以矮于与其连接的凸起的第二端的高度。在一个实施例中，分隔件可以和与其连接的凸起集成为一体并形成为一个件。在另一个实施例中，分隔件可以是刚性的并且附接到凸起的第二端。在又一个实施例中，每个分隔件可以是可移动的叶片，其可沿着外周边在任一方向或两个方向上，从布置在相应凸起的第二端处的轴线沿着相应凸起的后表面移动，后表面垂直于活塞冠的基部(例如，顶表面)的顶表面布置。例如，每个叶片可以被配置为绕着叶片的第一端的轴线旋转，该轴线靠近相应凸起的第二端，使得与第一端相对的叶片的第二端沿着外周边移动。每个叶片可以包括驱动器，该驱动器配置成移动各自的叶片，或者每个叶片可以联接到共同的驱动器，该驱动器配置成协同移动所有叶片。叶片可以包括合适的机构，例如包括在叶片的靠近相应凸起的第一端处的与叶片连接的轴，其可以旋转或以其他方式移动以调节叶片的位置。轴可以通过例如步进电机的驱动器旋转。在其他示例中，靠近外周边的叶片的第二端可以通过合适的驱动器移动，例如气动驱动器、液压驱动器或电磁驱动器。在一些实施例中，叶片可以基于燃料参数移动，例如基于喷射的燃料量、缸内压力或可能影响空气-燃料混合的其他参数。例如，在第一状况(例如，在燃料喷射量较低时的低发动机速度和/或低发动机负载)期间，叶片可以移动到第一位置(例如，相对于凸起的第二端成90°，如图3所示)，在第二状况(例如，在燃料喷射量较高时的高发动机速度和/或高发动机负载)期间，叶片可以移动到第二位置(例如，相对于凸起的第二端成45°)。在一个替代实施例中，活塞冠可以不包括分隔件，并且可以没有连接到凸起的第二端的分隔件。

在一些实施例中，诸如图3中所示的实施例，每个凸起可以包括布置在凸起内部的冷却通道338。冷却通道可以布置成靠近凸起的第二端的顶部外边缘，以便为凸起的第二端提供增强的冷却。如图3所示，冷却通道338是由凸起的内表面限定的腔室。然而，在替代的实施例中，该腔室可以由一个或多个单独的冷却通道或管道来替代。另外，如图3所示，每个凸起的冷却通道或腔室直接连接到活塞冠内部的活塞冷却通道340，并与之流体连通。以这种方式，活塞冷却通道可以适于使冷却的冷却剂或冷却流体(例如冷却油或水)流到凸起的冷却通道或腔室。因此，暴露于热燃烧气体中的凸起可以得到冷却。

如上所述，在实施例中，活塞冠的顶表面包括在每组相邻布置的凸起322之间的相应的凹陷。该凹陷可以进一步促进燃烧室中的空气和燃料混合。凹陷可以是圆形或椭圆形或其他卵形，或径向的，或有角的(例如，正方形凹槽或矩形凹槽)等，并且凹陷可以是规则的或不规则的。凹陷可以占据相邻凸起之间的整个空间，或仅占据空间的一部分。图5A和图5B(未按比例绘制；图5B是沿图5A中的剖面线5B-5B截取的剖视图)示出了具有形成在活塞冠312中的凹陷500的活塞冠312的实施例的示例。这里，每个凹陷500是形成在活塞冠的表面中的圆形凹陷(例如，凹坑)，并且定位在一对相邻的凸起322之间，但是凹陷仅占据相邻的凸起322之间的一部分空间。

如图3-4所示，凸起的顶表面可以是平面。在其他实施例中，参考图6A-6B作为两个示例，凸起的顶表面不是平面。图6A示出了具有凹面600的凸起322的实施例，图6B示出了具有凸面602的凸起322的实施例。(图6A和图6B都是沿着活塞冠的径向方向截取的示意性截面图，例如，与图3中所示凸起的方向相似。)

图3-4示出了具有多种不同组件的相对定位的示例配置。至少在一个示例中，如果示出为彼此直接接触或直接连接，则此类元件可相应地被称为直接接触或直接连接。类似地，至少在一个示例中，示出为彼此邻接或相邻，则此类元件可分别被称为彼此邻接或相邻。作为示例，彼此共面接触的部件可以被称为共面接触。作为另一示例，在至少一个示例中，元件彼此间隔开地布置，且其间仅有空间而没有其他的部件。作为又一示例，示出为在彼此的上方/下方、彼此相对的侧面、或在彼此的左侧/右侧的元件可以相对于彼此如此所指。此外，如图所示，在至少一个示例中，示出为最顶部的元件或元件的顶点可以指部件的“顶部”元件，最底端的元件或元件的底点可以指部件的“底部”。如本文所使用的，顶部/底部，上/下，高于/低于可相对于附图的垂直轴线，并用于描述附图中元件相对于彼此的位置。如此，在一个示例中，示出的在其他元件上方元件为垂直地定位在其他元件上方。作为又一示例，在附图中描绘的元件的形状可以指具有那些形状(例如，诸如是圆形、直的、平的、弯曲的、圆形的、倒角的、成角度的等)。此外，在至少一个示例中，被示出为彼此相交的元件可以指相交元件或彼此相交。此外，在一个示例中，被示出为在另一元件内部或在另一元件外部的元件即如此所指。

在本文的任何实施例中，活塞冠的凸起可以全部彼此相同(例如，具有相同的几何形状/形状)，或者，在给定的活塞冠中，一些凸起可以与其它凸起相同但不同于活塞冠的至少一个其它凸起。

在实施例中，凸起具有楔形和/或掠翼几何形状，参考多面体(例如，楔形形状)，其中凸起的表面(例如，顶部、侧部、前部)都是平面和多边形面。在其他实施例中，凸起的一个或多个表面可以是弯曲的，参见图6A-6B分别作为凹面和凸面的顶表面的示例。另外参见图7，示出了具有平顶表面700和弯曲侧表面702的凸起的俯视图。

如上所述，在实施例中，每个凸起的径向最内的第一端324可以与活塞冠的顶表面齐平。在其它实施例中，参考图8，第一端324相对于活塞冠的外周表面具有非零高度，使得第一端为阶梯形的/升高的。

如上所述，在一些实施例中，凸起可具有掠翼几何形状。图9示出了具有掠翼几何形状的凸起322的示例。凸起322包括第一端324和第二端326，第一端324和第二端326可以分别具有上述宽度(例如，第一端324可以具有宽度408，第二端326可以具有宽度410)。然而，第一端324可以从第二端326偏移，使得第一端324的中心点不沿着与z轴平行的轴线与第二端326的中心点对齐。凸起322包括第一侧表面910和与第一侧表面相对的第二侧表面912。图9所示的凸起322包括四个角，第一角902位于第二端326和第一侧面910之间，第二角904位于第二端326和第二侧面912之间，第三角906位于第一端324和第一侧面910之间，以及第四角908位于第二端408和第二侧表面912之间。在所示的示例中，第一角902可以是锐角(例如，83°)，第二角904可以是钝角(例如，135°)，第三角906可以是钝角(例如，97°)，第四角908可以是锐角(例如，45°)。以这样的方式，凸起的顶表面可以从第一端324“向后扫掠”到第二端326。虽然图9中未示出，但应理解的是，上述高度(例如，第二端326具有高度406，高度到第一端324降低)适用于图9中所示的凸起322。

如前所述，具有活塞冠312的活塞304可以定位在气缸中，例如图2中的气缸200。当定位在气缸中时，活塞304可定位在气缸的进气阀和排气阀下方。例如，如图2所示，活塞206位于进气提升阀214和排气提升阀216的下方(并且相对于进气提升阀214和排气提升阀216上下移动)。活塞可相对于进气阀和排气阀以合适的方式通过活塞冠的凸起和/或凹陷定向，以实现所需的空气-燃料混合。图10和11示出了相对于一组进气阀和排气阀的活塞方向的示例。

首先参考图10中，示出了活塞冠312相对于一组进气阀(第一进气阀1002和第二进气阀1004)和一组排气阀(第一排气阀1006和第二排气阀1008)处于第一方向1000。进气阀和排气阀显示为叠加在活塞冠312顶部的虚线，以便示意性地显示进气阀和排气阀(以及气缸盖中的相应端口)相对于活塞冠312的位置。

在第一方向1000中，每个阀门可以被定位在相应的凹陷500(如果包括的话)上，并且每个凸起322可以被定位在两个阀门之间(并且和两个阀门部分地重叠)。例如，第一进气阀1002可以与凹陷完全重叠并且可以与两个凸起部分地重叠。例如，如图所示，第一凸起322a可以部分地与第一进气阀1002和第二进气阀1004重叠。每一个额外的凸起可以类似地与两个阀重叠，无论是两个进气阀(例如，第一凸起322a)、两个排气阀(例如，第二凸起322b)还是一个进气阀和一个排气阀(例如，第三凸起322c和第四凸起322d)。此外，活塞冠312的中心轴线1010可以将两个凸起和燃料喷射器302平分，但不平分任何阀门。

现在参考图11，其示出了处于第二方向1100中的活塞冠312。在第二方向1100中，活塞冠312相对于第一方向1000旋转了45°(例如，中心轴线1010旋转并将两个阀门第一排气阀1006和第二进气门1004一分为二)。这样，每个凸起与相应的阀完全重叠。例如，第一凸起322a与第一进气阀1002完全重叠，第二凸起322b与第二排气阀1008完全重叠，第三凸起322c与第一排气阀1006完全重叠，第四凸起322d与第二进气阀1004完全重叠。每个凹陷(如果包括的话)仅部分重叠两个阀门，尽管每个凹陷的大部分不与任何阀门重叠。在一些实施例中，如上述关于图3的描述，当活塞冠312处于第二方向1100时，燃料喷射器312可以旋转，使得喷射器的每个喷嘴孔面对相邻凸起之间的相应开口。

因此，在图10所示的第一方向中，进气阀组和排气阀组的每个阀都定位在活塞冠的相应空间(可能包括凹陷)的正上方，并且与限定相应空间的相邻布置的凸起部分地重叠。在第二方向中，进气阀组和排气阀组中的每个阀都定位在活塞冠的相应凸起的正上方，并且与两个空间部分地重叠，两个空间分别位于相应凸起的任一侧。

由于进气阀和排气阀相对于凸起(和凹陷，在包括凹陷的情况下)的位置不同，不同的方向可提供不同的空气-燃料混合水平/区域。作为非限制性示例，在图10的第一方向1000中，燃料和空气可优先在凸起之间的凹陷/区域中混合和/或燃料和空气可优先在燃料喷射器附近的气缸中心处混合。相反，在第二方向1100中，燃料和空气可以优先在凸起上方混合和/或燃料和空气可以优先围绕气缸/活塞冠的外周边混合。在一些示例中，可以基于气缸的压缩比(例如，具有第一、较低压缩比的气缸可以包括在第一方向的活塞冠的活塞，而具有第二、较高压缩比的气缸可以包括在第二方向的活塞冠的活塞)，发动机的总功率、气缸压力的预期峰值、燃料配置(例如，仅液体燃料或气体与液体燃料)和/或其他发动机配置参数来选择活塞冠相对于进气阀和排气阀的方向。此外，在一些示例中，活塞可以以可旋转的方式连接到下面的活塞杆，使得活塞可以旋转以将活塞冠从第一方向移动到第二方向，并且活塞冠的方向的选择可以基于发动机的操作条件(例如，低发动机转速和/或负载下的第一方向，高发动机转速和/或负载下的第二方向)。

在一个实施例中，活塞包括终止于活塞冠的活塞体(例如，当活塞安装在发动机气缸体中时，活塞冠将限定燃烧室的一部分并面向燃料喷射器)。活塞冠包括多个凸起，该多个凸起从活塞冠的顶表面向外延伸并围绕活塞冠的圆周彼此间隔开。随着凸起从活塞冠的中心轴线向外延伸，多个凸起中的每个凸起的高度增加并且宽度减小。

在活塞的另一个实施例中，每个凸起具有第一端和第二端，第一端布置成靠近中心轴线但与中心轴线间隔开，第二端布置成靠近活塞冠的外周但与活塞冠的外周边间隔开。

在活塞的另一个实施例中，每个凸起具有掠翼几何形状，以从第一端到第二端使得高度增加并且宽度减小。

在活塞的另一个实施例中，对于每个凸起，第一端布置成与活塞冠的顶表面齐平，并且第二端向上升高并远离活塞冠的顶表面，并且第一端比第二端宽。

在活塞的另一个实施例中，活塞还包括连接到多个凸起的多个分隔件。每个凸起具有多个分隔件中的至少一个分隔件，分隔件连接到第二端的中点并从第二端向外延伸到活塞冠的外周边。

在活塞的另一个实施例中，每个分隔件具有和与其连接的凸起的第二端的高度相同的高度，并且每个分隔件的厚度小于与其连接的凸起的第二端的宽度。

在活塞的另一个实施例中，每个凸起包括至少一个冷却通道，该冷却通道布置在凸起的内部中，靠近第二端的顶部外边缘。

在活塞的另一个实施例中，凸起与活塞冠一体集成为整体件，以限定活塞冠的顶表面。

在活塞的另一个实施例中，活塞还包括一个或多个冷却通道，冷却通道位于多个凸起的内部(例如，形成在其中)。在另一实施例中，替代地或附加地，一个或多个凸起中的每一个包括限定出腔室的内表面，该腔室布置在凸起的内部中并且与活塞冠中的冷却通道流体连通。

以这种方式，活塞冠形成有多个凸起，该多个凸起从活塞冠的顶表面向外和向上延伸并且围绕活塞冠的圆周彼此间隔开。每个凸起可以具有楔形几何形状，该楔形几何形状从靠近活塞冠的中心轴线布置的第一端到靠近活塞冠的外周边布置的第二端高度增加并且宽度减小。凸起可以定位在活塞冠上，使得来自燃料喷射器的不同喷嘴孔的燃料喷雾被接收在每组相邻布置的凸起之间。具有多个凸起从活塞冠的顶表面向外延伸并围绕活塞冠的外周彼此间隔的活塞冠，并且随着凸起从活塞冠的中心轴线向外延伸，多个凸起中的每个凸起的高度增加并且宽度较小的技术效果是，会增强燃烧室内的空气和燃油的混合，从而提高燃烧效率并减少安装活塞冠的发动机的颗粒物排放。

如本文所用，除非另有说明，以单数形式列举并且以词语“一”或“一个”开头的元件或步骤应理解为不排除多个所述元件或步骤。此外，对本发明的“一个实施例”的引用并不排除也包含所述特征的另外的实施例的存在。此外，除非明确地相反说明，否则“包括”，“包含”或“具有”具有特定属性的一个或多个元件的实施例可以包括不具有该特性的其他此类元件。术语“包括”和“其中”用作各个术语“包括”和“其中”的简单语言等同物。此外，术语“第一”，“第二”和“第三”等是仅用作标签，并不旨在对其对象施加数字要求或特定的位置顺序。

本文公开的控制方法和程序可以作为可执行指令存储在非暂时性存储器中，并且可以由包括控制器的控制系统结合多种不同的传感器、驱动器和其他发动机硬件来执行。这里描述的特定程序可以表示任何数量的处理策略中的一种或多种，例如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。这样，所示的多种不同的动作、操作和/或功能可以以所示顺序并行执行，或者在某些情况下省略。同样地，处理顺序不一定是实现本文描述的示例实施例的特征和优点所必需的，而是为了便于说明和描述而提供的。可以根据所使用的具体策略重复执行所示动作、操作和/或功能中的一项或多项。此外，所描述的动作、操作和/或功能可以图形地表示要编程到发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非暂时性存储器中的代码，其中通过在具有多种不同的发动机硬件部件的系统中执行指令并结合电子控制器，来执行所描述的动作。

本文的描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使相关领域的普通技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域普通技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例不具有与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种活塞，其中，所述活塞包括：

活塞冠，所述活塞冠包括多个凸起，所述多个凸起从所述活塞冠的顶表面向外延伸并围绕所述活塞冠的圆周彼此间隔开，随着所述凸起从所述活塞冠的中心轴线向外延伸，所述多个凸起中的每个凸起中接近所述活塞冠的外周边的一端相较接近所述活塞冠的中心轴线的一端高度增加并且宽度减小。

2.根据权利要求1所述的活塞，其中，每个凸起具有第一端和第二端，所述第一端布置成靠近所述中心轴线但与所述中心轴线间隔开，所述第二端布置成靠近所述活塞冠的外周边但与所述活塞冠的外周边间隔开。

3.根据权利要求2所述的活塞，其中，每个凸起具有掠翼几何形状，以从所述第一端到所述第二端使得高度增加并且宽度减小。

4.根据权利要求2所述的活塞，其中，对于每个凸起，所述第一端布置成与所述活塞冠的顶表面齐平，并且所述第二端向上升高并远离所述活塞冠的顶表面，并且其中所述第一端比所述第二端宽。

5.根据权利要求2所述的活塞，其中，所述活塞还包括连接到所述多个凸起的多个分隔件，其中每个凸起具有所述多个分隔件中的至少一个分隔件，所述分隔件连接到所述第二端的中点并从所述第二端向外延伸到所述活塞冠的外周边。

6.根据权利要求5所述的活塞，其中，每个分隔件具有和与其连接的所述凸起的第二端的高度相等的高度，并且每个分隔件的厚度小于与其连接的所述凸起的第二端的宽度。

7.根据权利要求2所述的活塞，其中，每个凸起包括至少一个冷却通道，所述冷却通道布置在所述凸起的内部中，靠近所述第二端的顶部外边缘。

8.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述多个凸起与所述活塞冠一体集成为整体件，以限定所述活塞冠的顶表面。

9.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述活塞还包括一个或多个冷却通道，所述冷却通道位于所述多个凸起的内部。

10.根据权利要求1所述的活塞，其中，每个凸起具有限定出腔室的内表面，所述腔室布置在所述凸起的内部中并且与所述活塞冠的冷却通道流体连通。

11.一种燃烧系统，其中，所述系统包括：

发动机，包括具有活塞冠的活塞，所述活塞冠包括：

多个凸起，从所述活塞冠的顶表面向外延伸并围绕所述活塞冠的圆周彼此间隔开，其中每个凸起具有较宽端和较窄端，所述较宽端布置成比所述活塞冠的外周边更接近中心轴线，所述较窄端布置成比所述中心轴线更接近所述外周边，所述较窄端相对于所述活塞冠的顶表面和所述较宽端升高；和

多个分隔延伸部，每个分隔延伸部直接连接到相应凸起的较窄端并从所述凸起朝向所述外周边向外延伸。

12.根据权利要求11所述的燃烧系统，其中，每个凸起具有从所述较宽端到所述较窄端的倾斜轮廓，所述倾斜轮廓相对于所述活塞冠的顶表面具有范围在5-85度的倾角。

13.根据权利要求12所述的燃烧系统，其中，每个凸起具有顶表面，该凸起的顶表面相对于所述活塞冠的顶表面面向上和向外，并且限定在所述较宽端和所述较窄端之间，其中每个凸起的顶表面为平面。

14.根据权利要求12所述的燃烧系统，其中，每个凸起具有顶表面，该顶表面相对于所述活塞冠的顶表面面向上和向外，并且限定在所述较宽端和所述较窄端之间，其中每个凸起的顶表面为凸面或凹面。

15.根据权利要求11所述的燃烧系统，其中，每个分隔延伸部为可移动的叶片，所述叶片在沿着所述外周边的任一方向或两个方向上，从布置在相应凸起的所述较窄端的中心轴线沿着所述相应凸起的后表面移动，所述后表面垂直布置于所述活塞冠的顶表面。

16.根据权利要求11所述的燃烧系统，其中所述活塞冠的顶表面包括在每组相邻布置的凸起之间的凹陷。

17.一种燃烧系统，其中，所述燃烧系统包括：

燃料喷射器，布置在燃烧室的顶部，所述燃料喷射器包括多个喷嘴孔；和

活塞，位于燃烧室内，所述活塞包括活塞冠，活塞冠包括多个凸起，所述多个凸起从活塞冠的基部朝向所述燃料喷射器向外延伸，所述凸起具有从所述活塞的中心轴线到所述活塞的外周边高度增加的轮廓，所述多个凸起围绕所述活塞冠的圆周彼此间隔开，所述多个凸起中相邻布置的凸起布置在所述活塞冠上，以在将相邻布置的凸起分开的空间上接收来自的多个喷嘴孔中的一个喷嘴孔的燃料喷雾，其中，所述多个凸起的数量等于所述多个喷嘴孔的数量，其中将相邻布置的凸起分开的空间随着来自所述多个喷嘴孔的每个喷嘴孔的燃料喷雾的宽度增加而增加，其中每个凸起在与所述活塞的外圆周相切的方向上的最大宽度随着相邻布置的凸起之间的空间增加而减小，并且所述多个凸起中的每个凸起的最接近中心轴线布置的一端比每个凸起的最接近所述活塞的外圆周的一端宽。

18.根据权利要求17所述的燃烧系统，其中，所述燃烧系统还包括定位在所述燃烧室中的一组进气阀和随所述燃烧室定位的一组排气阀，并且其中所述一组进气阀和所述一组排气阀中的每个阀被定位在所述活塞冠的相应空间的正上方，并且与限定出所述相应空间的相邻布置的凸起部分地重叠。

19.根据权利要求17所述的燃烧系统，其中，所述燃烧系统还包括定位在所述燃烧室中的一组进气阀和随所述燃烧室定位的一组排气阀，并且其中所述一组进气阀和所述一组排气阀中的每个阀被定位在所述活塞冠的相应凸起的正上方，并且与两个空间部分地重叠，所述两个空间分别位于所述相应凸起的任一侧。

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