CN116006347A - 一种活塞、发动机及车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发动机技术领域，具体公开了一种活塞、发动机及车辆，该活塞的顶面设有燃烧室凹坑，燃烧室凹坑包括位于燃烧室凹坑的正中央的中心导向凸台，以及均呈环形且由内向外依次连接的空气隔热凹坑、抛射凸台、油气混合凹坑和外侧壁，中心导向凸台位于空气隔热凹坑的上方，抛射凸台同时高于空气隔热凹坑和油气混合凹坑，当油束沿油气混合凹坑的壁面流向抛射凸台时，抛射凸台能够将油束抛射至空气隔热凹坑的上方以及中心导向凸台的外侧，从而该部分油束将进行空间燃烧，且在活塞挤流下，空间燃烧区域与中心导向凸台的壁面、空气隔热凹坑的壁面之间可由空气填充，以降低中心导向凸台的壁面以及空气隔热凹坑的壁面的温度，降低传热损失。
Description
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种活塞、发动机及车辆。
背景技术
现有柴油机燃烧室一般是ω形的燃烧室，由燃烧室喉口、中央凸台、燃烧室圆弧组成。该类燃烧室的喉口的最突出点形成与气缸中心线平行的分界线，将ω形燃烧室划分为上部的凹槽区和下部的常规区。在实际应用过程中，喉口的分流作用能够将燃油一部分向上分流至凹槽区，形成上涡流；另一部分向下分流至常规区，形成下涡流。通过涡流的卷吸作用促进了缸内的油气混合，能够有效降低碳烟排放。但是却存在燃烧室常规区容积比凹槽区容积大很多，但常规区燃烧室中间的空气未得到更加充分的利用的问题。
对此，申请号为CN201811230717.X的前期专利公开了一种低热损柴油机燃烧室结构，在低热损柴油机燃烧室结构中，通过控制燃烧室深度、导流台阶面高度和球冠凸台高度三者之间的关系，来改变油雾的运动方向使得燃烧室内形成沿下涡流槽、导流台阶面、斜坡导流锥面和球冠凸台的下涡流，结合燃烧室顶部的上涡流，有助于促进新鲜空气和燃油之间的混合，获得更均匀的混合气和更快的燃烧速度，从而获得更好的燃油经济性和排放。但这也同时导致原本可处于活塞底部的高温区域向燃烧室中心移动，虽然可以提高活塞中心近燃烧室壁面空气的利用率，却会大幅度提高活塞中心各导流面的壁面温度，导致缸内传热损失，并且会降低靠近燃烧室中心的顶部空气的利用率。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种活塞、发动机及车辆，以解决现有燃烧室结构容易导致活塞底部的高温区域向燃烧室中心移动，会大幅度提高活塞中心各导流面的壁面温度，导致缸内传热损失的问题。
一方面，本发明提供一种活塞，所述活塞的顶面设有燃烧室凹坑，所述燃烧室凹坑包括位于所述燃烧室凹坑的正中央的中心导向凸台，以及均呈环形且由内向外依次连接的空气隔热凹坑、抛射凸台、油气混合凹坑和外侧壁，所述中心导向凸台位于所述空气隔热凹坑的上方，所述抛射凸台高于所述空气隔热凹坑且高于所述油气混合凹坑，所述外侧壁位于所述油气混合凹坑的上方；
当油束沿所述油气混合凹坑的壁面流向所述抛射凸台时，所述抛射凸台能够将油束抛射至所述空气隔热凹坑的上方以及所述中心导向凸台的外侧。
作为活塞的优选技术方案，所述中心导向凸台、所述空气隔热凹坑、所述抛射凸台以及所述油气混合凹坑的截面均呈圆弧形，且所述中心导向凸台的壁面与所述空气隔热凹坑的壁面相切、所述空气隔热凹坑的壁面与所述抛射凸台的壁面相切、所述抛射凸台的壁面与所述油气混合凹坑的壁面相切，所述油气混合凹坑的壁面与所述外侧壁相切。
作为活塞的优选技术方案，所述抛射凸台的壁面与所述油气混合凹坑的壁面的公共切线与竖直方向的夹角为α，所述抛射凸台的壁面与所述空气隔热凹坑的壁面的公共切线与竖直方向的夹角为β；α与β的比值位于0.25和0.3之间。
作为活塞的优选技术方案，所述抛射凸台的壁面与所述油气混合凹坑的壁面的公共切线与所述抛射凸台的壁面与所述空气隔热凹坑的壁面的公共切线的交点为O点，O点与所述油气混合凹坑的中心的间距为D，O点与所述空气隔热凹坑的中心的间距为d，D与d的比值位于1.2至1.4之间。
作为活塞的优选技术方案，所述中心导向凸台的壁面与所述空气隔热凹坑的壁面的公共切线与竖直方向的夹角为θ，15°≤θ≤45°。
作为活塞的优选技术方案，所述抛射凸台的顶部与所述空气隔热凹坑的底部之间的竖直距离为h，所述抛射凸台的顶部与所述油气混合凹坑的底部之间的竖直距离为H，35%H≥h≥20%H。
作为活塞的优选技术方案，所述抛射凸台的半径为r，所述空气隔热凹坑的半径的R，R与r的比值位于1.5和2之间。
作为活塞的优选技术方案，r=2mm~3mm。
另一方面，本发明提供一种发动机，包括上述任一方案中的活塞。
另一方面，本发明提供一种车辆，包括上述方案中的发动机。
本发明的有益效果为：
本发明提供一种活塞、发动机及车辆，该活塞的顶面设有燃烧室凹坑，燃烧室凹坑包括位于燃烧室凹坑的正中央的中心导向凸台，以及均呈环形且由内向外依次连接的空气隔热凹坑、抛射凸台、油气混合凹坑和外侧壁。中心导向凸台位于空气隔热凹坑的上方，抛射凸台高于空气隔热凹坑且高于油气混合凹坑，外侧壁位于油气混合凹坑的上方，当油束沿油气混合凹坑的壁面流向抛射凸台时，抛射凸台能够将油束抛射至空气隔热凹坑的上方以及中心导向凸台的外侧，从而该部分油束可进行空间燃烧，并且在活塞的挤流下，空气会沿中心导向凸台的壁面、空气隔热凹坑的壁面流动，并填充在空间燃烧区域和中心导向凸台的壁面、空气隔热凹坑的壁面之间，以降低中心导向凸台的壁面以及空气隔热凹坑的壁面的温度，降低传热损失。
附图说明
图1为本发明实施例中活塞的燃烧室凹坑结构示意图；
图2为本发明实施例中活塞的燃烧室凹坑的部分结构示意图。
图中：
10、燃烧室凹坑；
1、中心导向凸台；2、空气隔热凹坑；3、抛射凸台；4、油气混合凹坑；5、外侧壁。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置，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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本实施中涉及的名词解释如下：
油束：燃油以很高的压力和很高的速度从喷油器的喷油孔射出，在气缸中空气阻力及燃油高速流动时所产生的内部扰动作用下，被粉碎成细小的油粒，形如圆锥，通常将这种大小不同的油粒所组成的圆锥体称为油束。
喉口：燃烧室凹坑内部环槽之间分隔的凸缘，本实施例具体涉及到三环槽燃烧室，有两个凸缘，这两个凸缘所形成的直径最小的位置称为喉口，本实施例中喉口具体位于燃烧室凹坑的外侧壁。
抛射凸台：燃烧室内部能够引导并形成射流的凸台，本实施例所涉及到的燃烧室凹坑的空气隔热凹坑及油气混合凹坑这两个凹坑中间的突出圆弧能够对近中心的空气挤流和远中心的油束进行抛射，该圆弧凸台即为一个抛射凸台。
放热率：1Kmol混合气在单位时间或单位曲轴转角的燃烧放热量。
传热损失：特指混合气燃烧产生的热量中通过活塞、缸套、气缸盖传递走的热量。
挤流：指在活塞接近上止点时，由于空间急剧压缩，活塞将位于气缸边缘和中心的气体挤向燃烧室凹坑底部的凹坑而产生的气流。
现有的低热损柴油机燃烧室结构，在低热损柴油机燃烧室结构中，通过控制燃烧室深度、导流台阶面高度和球冠凸台高度三者之间的关系，来改变油雾的运动方向使得燃烧室内形成沿下涡流槽、导流台阶面、斜坡导流锥面和球冠凸台的下涡流，结合燃烧室顶部的上涡流，有助于促进新鲜空气和燃油之间的混合，获得更均匀的混合气和更快的燃烧速度，从而获得更好的燃油经济性和排放。但这也同时导致原本可处于活塞底部的高温区域向燃烧室中心移动，虽然可以提高活塞中心近燃烧室壁面空气的利用率，却会大幅度提高活塞中心各导流面的壁面温度，导致缸内传热损失，并且会降低靠近燃烧室中心的顶部空气的利用率。
对此，本实施例提供一种活塞以解决上述问题。
如图1和图2所示，本实施例提供一种活塞，该活塞的顶面设有燃烧室凹坑10。燃烧室凹坑10包括位于燃烧室凹坑10的正中央的中心导向凸台1，以及均呈环形且由内向外依次连接的空气隔热凹坑2、抛射凸台3、油气混合凹坑4和外侧壁5。其中，中心导向凸台1位于空气隔热凹坑2的上方，抛射凸台3高于空气隔热凹坑2且高于油气混合凹坑4，外侧壁5位于油气混合凹坑4的上方，当油束沿油气混合凹坑4的壁面流向抛射凸台3时，抛射凸台3能够将油束抛射至空气隔热凹坑2的上方以及中心导向凸台1的外侧。具体地，抛射凸台3能够将油束向靠近中心导向凸台1一侧的斜上方抛射，并且抛射的轨迹位于中心导向凸台1的外侧以及空气隔热凹坑2的上方。
本实施例提供的活塞，喉口位于外侧壁5，油束喷射至喉口位置会形成分流，一部分会沿外侧壁5的壁面向下流，另一部则沿外侧壁5的壁面向上流动，向下流动的部分在经过油气混合凹坑4后会继续流向抛射凸台3，并可在抛射凸台3的引导下被抛射至空气隔热凹坑2的上方以及中心导向凸台1的外侧并进行燃烧，从而此时该部分油束燃烧并没有附着于中心导向凸台1的壁面以及空气隔热凹坑2的壁面，而是在远离中心导向凸台1的壁面以及空气隔热凹坑2的壁面的位置进行空间燃烧，可有效提升空气隔热凹坑2和抛射凸台3上方的空气的利用率，同时还可有效降低中心导向凸台1的壁面以及空气隔热凹坑2的壁面的温度，降低传热损失。
另外，由于空间燃烧的区域与中心导向凸台1的壁面以及空气隔热凹坑2的壁面存在一定的间隔，而燃烧发生在活塞压缩气缸内空气的过程中，在活塞的挤流下，空气会沿中心导向凸台1的壁面、空气隔热凹坑2的壁面流动，从而流动的空气可填充在中心导向凸台1的壁面以及空气隔热凹坑2的壁面与空间燃烧区域之间并形成空气隔层，空气隔层可进一步降低空间燃烧区域的高温锋面对中心导向凸台1的壁面、空气隔热凹坑2的壁面的影响，以进一步降低中心导向凸台1的壁面以及空气隔热凹坑2的壁面的温度，降低传热损失。
可选地，在活塞向上移动压缩空气的过程中，在活塞的挤流下，空气会沿中心导向凸台1流向空气隔热凹坑2的壁面并继续流向抛射凸台3，抛射凸台3可引导该部分空气向靠近外侧壁5一侧的斜上方抛射，并且抛射凸台3引导该部分空气的流动方向与油束的流动方向呈夹角，从而该部分空气会与油束对冲并充分混合，可进一步提升油气的混合程度，并提高燃烧室中心部分空气的利用率。
可选地，中心导向凸台1、空气隔热凹坑2、抛射凸台3以及油气混合凹坑4的截面均呈圆弧形，且中心导向凸台1的壁面与空气隔热凹坑2的壁面相切、空气隔热凹坑2的壁面与抛射凸台3的壁面相切、抛射凸台3的壁面与油气混合凹坑4的壁面相切，油气混合凹坑4的壁面与外侧壁5相切。如此设置，中心导向凸台1、空气隔热凹坑2、抛射凸台3、油气混合凹坑4以及外侧壁5依次圆滑过渡，便于空气以及油束的顺畅流动。优选地，中心导向凸台1、空气隔热凹坑2、抛射凸台3、油气混合凹坑4以及外侧壁5的中心线均和活塞的中心线重合。
可选地，如图1所示，活塞在经过其中心线的任意截面中，抛射凸台3的壁面与油气混合凹坑4的壁面的公共切线为L1，L1与竖直方向的夹角为α，抛射凸台3的壁面与空气隔热凹坑2的壁面的公共切线为L2，L2与竖直方向的夹角为β；α与β的比值位于0.25和0.3之间。具体地，α与β的比值可以为0.25、0.26、0.27、0.28、0.29或0.3。
可选地，如图1所示，活塞在经过其中心线的任意截面中，抛射凸台3的壁面与油气混合凹坑4的壁面的公共切线与抛射凸台3的壁面与空气隔热凹坑2的壁面的公共切线的交点为O点，即L1与L2的交点为O点，O点与油气混合凹坑4的中心（油气混合凹坑4的截面的圆心）的间距为D，O点与空气隔热凹坑2的中心（空气隔热凹坑2的截面的圆心）的间距为d，D与d的比值位于1.2至1.4之间。具体地，D与d的比值可以为1.2、1.25、1.3、1.35或1.4。
可选地，如图1所示，活塞在经过其中心线的任意截面中，中心导向凸台1的壁面与空气隔热凹坑2的壁面的公共切线L3与竖直方向的夹角为θ，15°≤θ≤45°。具体地，θ可以为15°、20°、25°、30°、35°、40°或45°。
可选地，如图1所示，抛射凸台3的顶部与空气隔热凹坑2的底部之间的竖直距离为h，抛射凸台3的顶部与油气混合凹坑4的底部之间的竖直距离为H，35%H≥h≥20%H。其中，h为空气隔热凹坑2的深度，H为油气混合凹坑4的深度，理论上h的值越大，则空气隔热层的效果会越好，但是随着h值的增大，抛射凸台3的圆角半径可能减小，这不利于活塞的可靠性，因此使35%H≥h≥20%H，能够同时兼顾空气隔热效果以及抛射凸台3的抛射效果。
可选地，如图1所示，抛射凸台3的半径为r，空气隔热凹坑2的半径的R，R与r的比值位于1.5和2之间。具体地，R与r的比值可以为1.5、1.6、1.7、1.8、1.9或2。优选地，r=2mm~3mm。具体地，r可以为2mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm或3mm。
本实施例还提供一种发动机，包括上述方案中的活塞。其中，发动机具体为柴油机。
本实施例还提供一种车辆，包括上述方案中的发动机。
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，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。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 (10)
1.一种活塞，所述活塞的顶面设有燃烧室凹坑（10），其特征在于，所述燃烧室凹坑（10）包括位于所述燃烧室凹坑（10）的正中央的中心导向凸台（1），以及均呈环形且由内向外依次连接的空气隔热凹坑（2）、抛射凸台（3）、油气混合凹坑（4）和外侧壁（5），所述中心导向凸台（1）位于所述空气隔热凹坑（2）的上方，所述抛射凸台（3）高于所述空气隔热凹坑（2）且高于所述油气混合凹坑（4），所述外侧壁（5）位于所述油气混合凹坑（4）的上方；
当油束沿所述油气混合凹坑（4）的壁面流向所述抛射凸台（3）时，所述抛射凸台（3）能够将油束抛射至所述空气隔热凹坑（2）的上方以及所述中心导向凸台（1）的外侧。
2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述中心导向凸台（1）、所述空气隔热凹坑（2）、所述抛射凸台（3）以及所述油气混合凹坑（4）的截面均呈圆弧形，且所述中心导向凸台（1）的壁面与所述空气隔热凹坑（2）的壁面相切、所述空气隔热凹坑（2）的壁面与所述抛射凸台（3）的壁面相切、所述抛射凸台（3）的壁面与所述油气混合凹坑（4）的壁面相切，所述油气混合凹坑（4）的壁面与所述外侧壁（5）相切。
3.根据权利要求2所述的活塞，其特征在于，所述抛射凸台（3）的壁面与所述油气混合凹坑（4）的壁面的公共切线与竖直方向的夹角为α，所述抛射凸台（3）的壁面与所述空气隔热凹坑（2）的壁面的公共切线与竖直方向的夹角为β；α与β的比值位于0.25和0.3之间。
4.根据权利要求2所述的活塞，其特征在于，所述抛射凸台（3）的壁面与所述油气混合凹坑（4）的壁面的公共切线与所述抛射凸台（3）的壁面与所述空气隔热凹坑（2）的壁面的公共切线的交点为O点，O点与所述油气混合凹坑（4）的中心的间距为D，O点与所述空气隔热凹坑（2）的中心的间距为d，D与d的比值位于1.2至1.4之间。
5.根据权利要求2所述的活塞，其特征在于，所述中心导向凸台（1）的壁面与所述空气隔热凹坑（2）的壁面的公共切线与竖直方向的夹角为θ，15°≤θ≤45°。
6.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述抛射凸台（3）的顶部与所述空气隔热凹坑（2）的底部之间的竖直距离为h，所述抛射凸台（3）的顶部与所述油气混合凹坑（4）的底部之间的竖直距离为H，35%H≥h≥20%H。
7.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述抛射凸台（3）的半径为r，所述空气隔热凹坑（2）的半径的R，R与r的比值位于1.5和2之间。
8.根据权利要求7所述的活塞，其特征在于，r=2mm~3mm。
9.一种发动机，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的活塞。
10.一种车辆，其特征在于，包括权利要求9所述的发动机。
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