CN114991985B - 一种活塞及发动机 - Google Patents

Abstract

本发明属于发动机技术领域，公开了一种活塞及发动机，该活塞具有燃烧室，该燃烧室包括第一面组和两个第二面组，第一面组包括沿第一方向依次设置的第一弧面、第二连接面和第三弧面，第二面组包括沿第一方向依次设置的第一曲面、第二曲面和第三曲面，第二曲面连接于第一曲面和第三曲面之间，第一弧面和两个第一曲面形成气流汇聚区，第二连接面和两个第二曲面形成气流整合加速区，第三弧面和两个第三曲面形成气流流出区，第一曲面聚拢气体，第二连接面能够使气体加速，从而提高涡流强度，在活塞到达上止点之前，高强度的滚流破碎成高强度的湍动能，从而在发动机的点火时刻，使缸内的湍动能最大化，加快燃烧速率，提高热效率。

Description

一种活塞及发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种活塞及发动机。

背景技术

随着社会经济的快速发展，内燃机行业加剧了环境污染和能源危机的问题，寻找合适的替代能源是内燃机的主要发展之一。天然气储量丰富，价格低廉，清洁无污染，是一种理想的替代燃料，天然气发动机就是在柴油发动机的基础上改进而来的，燃烧方式为预混燃烧，天然气在进气行程中已经和空气进行混合，并形成较强的涡流，如果燃气发动机中继续存在涡流这种大尺寸流动，在压缩行程末期，火花塞周围流速较低，纵向流速偏低，涡流无法破碎成小尺寸湍流，进而无法提升湍动能。

为了解决这个问题，现有技术中提供了一种燃烧室，进气道设置为倾斜型，燃烧室凹坑包括导向坑和抛射坑，导向坑的底面具有导流作用，引导混合气向下运动至凹坑最低点，抛射坑引导混合气向上翻转，利用非对称的燃烧室凹坑使混合气在燃烧室内翻滚而形成滚流。但是，燃烧室凹坑是相对于活塞上顶面向下凹陷形成的，同时只是对凹坑的部分内表面进行结构上的改造，对于燃烧室凹坑整体结构来说是回转体结构，不能充分利用进气流动产生更强的滚流，并且需要配合相应的倾斜型进气道才能形成较强的滚流。

因此，亟需一种活塞及发动机，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种活塞，能够使部分涡流转化为滚流，进一步提高滚流强度，使缸内的湍动能最大化，加快燃烧速率，提高热效率。

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种活塞，所述活塞具有燃烧室，所述燃烧室包括：

第一面组，所述第一面组包括沿第一方向依次设置的第一弧面、第二连接面和第三弧面，所述第二连接面连接于所述第一弧面和所述第三弧面之间；

两个第二面组，两个所述第二面组分别位于所述第一面组沿第二方向的两侧，所述第一方向和所述第二方向垂直，所述第二面组包括沿所述第一方向依次设置的第一曲面、第二曲面和第三曲面，所述第二曲面连接于所述第一曲面和所述第三曲面之间，沿所述第二方向，所述第一弧面连接于两个所述第一曲面之间，所述第二连接面连接于两个所述第二曲面之间，所述第三弧面连接于两个所述第三曲面之间，所述第一曲面的顶边、所述第二曲面的顶边和所述第三曲面的顶边依次连接，所述第一弧面的顶边连接于两个所述第一曲面的顶边之间，所述第三弧面的顶边连接于两个所述第三曲面的顶边之间。

优选地，所述活塞具有活塞中心线，所述第一面组具有对称面，所述对称面与所述第一方向平行，所述对称面和所述活塞中心线相交且垂直于所述活塞的顶面，所述第一面组关于所述对称面对称设置。

优选地，两个所述第二面组关于所述对称面对称设置。

优选地，所述第二面组沿所述第一方向上任一位置处的截面呈圆弧形，所述截面垂直于所述第一方向。

优选地，所述第一曲面的顶边的半径大于所述第三曲面的顶面的半径。

优选地，所述第二连接面为倾斜平面，沿所述第一方向，所述第二连接面的顶端连接于所述第三弧面，所述第二连接面的低端连接于所述第一弧面。

优选地，所述燃烧室还包括两个进气门，两个所述进气门分别与两个所述第二曲面相对。

优选地，所述第一弧面的顶边和所述第三弧面的顶边均垂直于所述第一方向的直线。

优选地，所述活塞的顶面具有多个避位坑，多个所述避位坑间隔设置。

为达上述目的，本发明还提供了一种发动机，包括上述的活塞。

本发明的有益效果为：

本发明提供的一种活塞，在燃烧室中，第一弧面和两个第一曲面形成气流汇聚区，第二连接面和两个第二曲面形成气流整合加速区，第三弧面和两个第三曲面形成气流流出区。在发动机的进气行程，气体通过进气道进入气缸内，然后依次进入第一曲面、第二连接面和第三曲面，第一曲面聚拢气体，之后从第三曲面流出后，到达进气门下方的气缸壁面，从而形成缸内滚流，第二连接面能够使气体加速，从而提高涡流强度，同时，第二连接面能够使部分涡流转化为滚流，进一步提高滚流强度，使缸内流动转化为由滚流主导的运动。在发动机的压缩行程中，活塞向上止点移动，燃烧室的导流作用进一步加强，滚流强度进一步增加，在活塞到达上止点之前，高强度的滚流破碎成高强度的湍动能，从而在发动机的点火时刻，使缸内的湍动能最大化，加快燃烧速率，提高热效率。

附图说明

图1为本发明实施例中活塞的结构示意图；

图2为本发明实施例中活塞的俯视图；

图3为本发明实施例中活塞的剖视图；

图4为本发明实施例中燃烧室的对称面示意图；

图5为本发明与现有技术的标定点缸内滚流强度变化曲线；

图6为本发明与现有技术的标定点缸内涡流强度变化曲线；

图7为本发明与现有技术的标定点缸内湍动能变化曲线；

图8为本发明与现有技术的标定点缸内放热率变化曲线；

图9为本发明与现有技术缸内进气过程的气流速度场对比图；

图10为本发明与现有技术缸内压缩过程的气流速度场对比图；

图11为本发明与现有技术缸内点火后的气流速度场对比图。

附图标记：

1、第一面组；11、第一弧面；12、第二连接面；13、第三弧面；

2、第二面组；21、第一曲面；22、第二曲面；23、第三曲面；

3、活塞中心线；

4、避位坑。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

现有的燃烧室中，进气道设置为倾斜型，燃烧室凹坑包括导向坑和抛射坑，导向坑的底面具有导流作用，引导混合气向下运动至凹坑最低点，抛射坑引导混合气向上翻转，利用非对称的燃烧室凹坑使混合气在燃烧室内翻滚而形成滚流。但是，燃烧室凹坑是相对于活塞上顶面向下凹陷形成的，同时只是对凹坑的部分内表面进行结构上的改造，对于燃烧室凹坑整体结构来说是回转体结构，不能充分利用进气流动产生更强的滚流，并且需要配合相应的倾斜型进气道才能形成较强的滚流。对此，本实施例提供了一种活塞，能够使部分涡流转化为滚流，进一步提高滚流强度，使缸内的湍动能最大化，加快燃烧速率，提高热效率。

如图1-图4所示，在本实施例中，一种活塞具有燃烧室，燃烧室包括第一面组1和两个第二面组2，其中，第一面组1包括沿第一方向依次设置的第一弧面11、第二连接面12和第三弧面13，第二连接面12连接于第一弧面11和第三弧面13之间。两个第二面组2分别位于第一面组1沿第二方向的两侧，第一方向和第二方向垂直，第二面组2包括沿第一方向依次设置的第一曲面21、第二曲面22和第三曲面23，第二曲面22连接于第一曲面21和第三曲面23之间，沿第二方向，第一弧面11连接于两个第一曲面21之间，第二连接面12连接于两个第二曲面22之间，第三弧面13连接于两个第三曲面23之间，第一曲面21的顶边、第二曲面22的顶边和第三曲面23的顶边依次连接，第一弧面11的顶边连接于两个第一曲面21的顶边之间，第三弧面13的顶边连接于两个第三曲面23的顶边之间。具体地，第一方向和第二方向分别为图中的X方向和Y方向，在燃烧室内，第一弧面11和两个第一曲面21形成气流汇聚区，第二连接面12和两个第二曲面22形成气流整合加速区，第三弧面13和两个第三曲面23形成气流流出区，其中，第一弧面11是气流汇聚面，第二连接面12是滚流加强面，第三弧面13是气流输出面。在发动机的进气行程，气体通过进气道进入气缸内，然后依次进入第一曲面21、第二连接面12和第三曲面23，第一曲面21聚拢气体，之后从第三曲面23流出后，到达进气门下方的气缸壁面，从而形成缸内滚流，第二连接面12能够使气体加速，从而提高涡流强度，同时，第二连接面12能够使部分涡流转化为滚流，进一步提高滚流强度，使缸内流动转化为由滚流主导的运动。在发动机的压缩行程中，活塞向上止点移动，燃烧室的导流作用进一步加强，滚流强度进一步增加，在活塞到达上止点之前，高强度的滚流破碎成高强度的湍动能，从而在发动机的点火时刻，使缸内的湍动能最大化，加快燃烧速率，提高热效率。

进一步地，继续参照图1-图4，活塞具有活塞中心线3，第一面组1具有对称面，对称面与第一方向平行，对称面和活塞中心线3相交且垂直于活塞的顶面，第一面组1关于对称面对称设置。具体地，燃烧室沿对称面分为三个区域，其中一个区域：第一面组1对应的是对称拉伸区，对称拉伸区相对于燃烧室的对称面对称，对称拉伸区在燃烧室对称面的投影为燃烧室截面形状。可选地，第一弧面11的顶边和第三弧面13的顶边与活塞中心线3的距离分别为L1和L2，L1和L2为气缸直径的0.3～0.45倍。

进一步地，继续参照图1-图4，两个第二面组2关于对称面对称设置。具体地，燃烧室沿对称面分为三个区域，其中另外两个区域：两个第二面组2对应的是截面旋转区，对称拉伸区两侧与活塞顶面的交线是截面旋转区的旋转中心线，截面旋转区是以燃烧室截面形状为截面、以截面旋转区的旋转中心线为中心的回转体。对称拉伸区的宽度L3为气缸直径的0.05～0.35倍。

进一步地，继续参照图1-图4，第二面组2沿第一方向上任一位置处的截面呈圆弧形，截面垂直于第一方向，使得燃烧室形成滚流，在压缩过程中，活塞上行，燃烧室的导流作用进一步加强，滚流强度进一步增加。到达压缩上止点之前，高强度的滚流破碎成高强度的湍动能。最终，在点火时，使缸内的湍动能最大化，加快燃烧速度，提高热效率。

进一步地，继续参照图1-图4，第一曲面21的顶边的半径大于第三曲面23的顶面的半径。具体地，在燃烧室内，气体通过进气道进入气缸内，然后高流速的进气从进气门运动到排气门侧，再沿气缸壁面到达活塞，之后依次进入气流汇聚区、气流整合加速区以及气流输出区，其中，气流汇聚区的进气口大于气流输出区的出气口，能够使气流加速，从而提高涡流强度，从气流输出面流出到达进气门下方的气缸壁面，从而形成缸内滚流。同时，气流整合加速区先宽后窄结构能使部分涡流转化为滚流，进一步提高滚流强度，使缸内流动转化为由滚流主导的运动。

进一步地，继续参照图1-图4，第二连接面12为倾斜平面，沿第一方向，第二连接面12的顶端连接于第三弧面13，第二连接面12的低端连接于第一弧面11。具体地，气流整合加速区连接气流汇聚区和气流流出区，气流整合加速区从气流汇聚区到气流流出区的深度不断变浅。

进一步地，继续参照图1-图4，燃烧室还包括两个进气门，两个进气门分别与两个第二曲面22相对。具体地，进气门轴线在活塞顶面沿活塞轴线方向的投影为进气门中心点，进气门中心点正对应于第二曲面22，气体通过进气道进入气缸内，即从进气门喷至气缸内，通常情况下，切向气道会导致排气门侧的进气流速更高，高流速的进气从进气门运动到排气门侧，再沿气缸壁面到达活塞，之后依次进入气流汇聚区、气流整合加速区以及气流流出区，从气流流出去流出后，到达进气门下方的气缸壁面，从而形成缸内滚流。

进一步地，继续参照图1-图4，第一弧面11的顶边和第三弧面13的顶边均垂直于第一方向的直线。具体地，两个进气门中心点之间的连线中点为进气中心点，第一方向的直线依次穿过进气中心点和活塞中心点，该直线垂直于第一弧面11的顶边和第三弧面13的顶边，则部分气流会沿着第一弧面11的顶边进入，其余的气流会沿着第一弧面11两侧的第一曲面21进入，使得气流汇聚，通过气流整合加速区之后，部分气流沿着第三弧面13的顶边流出，其余的气流会沿着第三弧面13两侧的第三曲面23流出，使得缸内形成滚流，最终在点火时使缸内的湍动能最大化，加快燃烧速度，提高热效率。可选地，第一弧面11与活塞顶面之间的夹角A的角度范围为45°～90°，第二连接面12与活塞顶面之间的夹角B的角度范围为5°～30°，第三弧面13与活塞顶面之间的夹角C的角度范围为45°～90°。

进一步地，继续参照图1-图4，活塞的顶面具有多个避位坑4，多个避位坑4间隔设置。避位坑4的数量可以为两个、三个或三个以上，在数量上不做限定。具体地，在本实施例中，避位坑4的数量为四个，其中两个避位坑4对应进气门，另外两个避位坑4对应排气门，在发动机高速大负荷工况中，往往需要增大气门升程以提高进气流量，为了避免气缸与活塞产生干涉，通过活塞顶面的多个避位坑4以适应配气的需求。优选地，避位坑4的深度是根据燃烧匹配的需求而设计确定的，当环境温度较低，避位坑4深度较大时，喷出的油束会越过避位坑4进入气缸的间隙，在狭缝中柴油一旦着火，容易一轰而起，形成爆燃，造成活塞的烧蚀。燃烧室为凹坑结构，燃烧室凹坑最深处H为气缸直径的0.15～0.35倍。

下面通过试验仿真来对比现有技术的燃烧室与本发明方案的技术效果，利用三维仿真计算软件对比现有技术的燃烧室与本发明方案的仿真结果，请参照图5-图11，现有技术对应的是常规燃烧室的曲线，本发明方案对应的是滚流燃烧室的曲线，图5为本发明与现有技术的标定点缸内滚流比对比，图6为本发明与现有技术的标定点缸内涡流强度对比，图7为本发明与现有技术的标定点缸内湍动能对比，图8为本发明与现有技术的标定点缸内放热率对比，图9为本发明与现有技术缸内进气过程的气流速度场对比，图10为本发明与现有技术缸内压缩过程的气流速度场对比，图11为本发明与现有技术缸内点火后的气流速度场对比。

由图5可见，进气冲程是0°CA到180°CA，压缩冲程是180°CA到360°CA，点火时刻一般在330°CA到360°CA之间。通过对比可见，在进气冲程中，滚流燃烧室的涡流比明显高于常规燃烧室。

由图6-图7可见，在压缩行程，可以看出滚流燃烧室的滚流比有一个明显的提高过程，这表明滚流燃烧室能将一分部涡流的能量转化为滚流。

由图8可见，滚流燃烧室的放热速度明显更快，进而热效率更高。

由图9可见，滚流燃烧室在进气冲程，气流由进气门进入燃烧室，大部分气体朝向排气门侧运动，之后沿壁面下行，到达气流汇聚区，经过气流整合加速区，再从气流流出区流出，沿壁面上行，到达进气门附近，最终形成滚流。而常规燃烧室在进气冲程，气流由进气门进入燃烧室，大部分气体朝向排气门侧运动，但没有形成滚流。

由图10可见，对于滚流燃烧室，与气流汇聚区附近的速度相比，在气流流出区附近的速度明显提高了，表明气流整合加速区能够起到提高流速、增加滚流的作用。

由图11可见，滚流燃烧室最终形成了明显的滚流，而常规燃烧室没有形成滚流。

本实施例还提供了一种发动机，在发动机的点火时刻，通过上述活塞的具体结构，使缸内的湍动能最大化，加快燃烧速率，提高热效率。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种活塞，所述活塞具有燃烧室，其特征在于，所述燃烧室包括：

第一面组(1)，所述第一面组(1)包括沿第一方向依次设置的第一弧面(11)、第二连接面(12)和第三弧面(13)，所述第二连接面(12)连接于所述第一弧面(11)和所述第三弧面(13)之间；

两个第二面组(2)，两个所述第二面组(2)分别位于所述第一面组(1)沿第二方向的两侧，所述第一方向和所述第二方向垂直，所述第二面组(2)包括沿所述第一方向依次设置的第一曲面(21)、第二曲面(22)和第三曲面(23)，所述第二曲面(22)连接于所述第一曲面(21)和所述第三曲面(23)之间，沿所述第二方向，所述第一弧面(11)连接于两个所述第一曲面(21)之间，所述第二连接面(12)连接于两个所述第二曲面(22)之间，所述第三弧面(13)连接于两个所述第三曲面(23)之间，所述第一曲面(21)的顶边、所述第二曲面(22)的顶边和所述第三曲面(23)的顶边依次连接，所述第一弧面(11)的顶边连接于两个所述第一曲面(21)的顶边之间，所述第三弧面(13)的顶边连接于两个所述第三曲面(23)的顶边之间；

所述第一曲面(21)的顶边的半径大于所述第三曲面(23)的顶面的半径；

所述第二连接面(12)为倾斜平面，沿所述第一方向，所述第二连接面(12)的顶端连接于所述第三弧面(13)，所述第二连接面(12)的低端连接于所述第一弧面(11)；

所述燃烧室还包括两个进气门，两个所述进气门分别与两个所述第二曲面(22)相对；

所述第一弧面(11)和两个所述第一曲面(21)形成气流汇聚区，所述第二连接面(12)和两个所述第二曲面(22)形成气流整合加速区，所述第三弧面(13)和两个所述第三曲面(23)形成气流流出区；

所述气流整合加速区连接所述气流汇聚区和所述气流流出区，所述气流整合加速区从所述气流汇聚区到所述气流流出区的深度不断变浅。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞具有活塞中心线(3)，所述第一面组(1)具有对称面，所述对称面与所述第一方向平行，所述对称面和所述活塞中心线(3)相交且垂直于所述活塞的顶面，所述第一面组(1)关于所述对称面对称设置。

3.根据权利要求2所述的活塞，其特征在于，两个所述第二面组(2)关于所述对称面对称设置。

4.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述第二面组(2)沿所述第一方向上任一位置处的截面呈圆弧形，所述截面垂直于所述第一方向。

5.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述第一弧面(11)的顶边和所述第三弧面(13)的顶边均垂直于所述第一方向的直线。

6.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞的顶面具有多个避位坑(4)，多个所述避位坑(4)间隔设置。

7.一种发动机，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的活塞。

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