用于減少顆粒物質(zhì)產(chǎn)生的活塞、發(fā)動(dòng)機(jī)和操作方法
【專利摘要】一種用來(lái)減少在上死點(diǎn)位置之后直接噴射的燃料的燃燒期間顆粒物質(zhì)產(chǎn)生的活塞，包括限定大約263mm的活塞體直徑的活塞體和位于第一軸向主體端上面的燃燒面。燃燒面包括燃燒碗和繞燃燒碗周向延伸的環(huán)形活塞邊緣。內(nèi)外邊緣表面以大約1:1到大約2:1的比一起構(gòu)成該邊緣的水平寬度。內(nèi)邊緣表面包括大約9°到大約11°傾斜的斜面，因此邊緣的輪廓被去除以限制直接噴射的燃料通過(guò)活塞朝向氣缸壁的偏移。
【專利說(shuō)明】用于減少顆粒物質(zhì)產(chǎn)生的活塞、發(fā)動(dòng)機(jī)和操作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)總的涉及一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞，具體涉及一種限制直接噴射的燃料朝向氣缸孔壁偏移的活塞燃燒面的輪廓。

【背景技術(shù)】
[0002]各種操作策略和部件幾何結(jié)構(gòu)在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域是眾所周知的。幾十年來(lái)，工程師們已經(jīng)嘗試?yán)貌煌绞讲僮魅剂舷到y(tǒng)、排氣系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)和其它發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，以及利用不同方式成形發(fā)動(dòng)機(jī)部件并使其比例勻稱。這種嘗試背后的一個(gè)動(dòng)機(jī)是平衡降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的某些排放物和優(yōu)化效率之間的常常是競(jìng)爭(zhēng)性的問(wèn)題。內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)通常燃燒空氣和碳?xì)浠衔锶剂?。燃料和空氣的燃燒由?nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生可包括各種化合物和材料的廢氣，諸如煤煙、灰燼、未燃碳?xì)浠衔铩⑺?、二氧化碳、一氧化碳以及各種各樣其它的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物。
[0003]近年來(lái)，減少統(tǒng)稱為“NOx”的氮氧化物的排放以及減少一般情況下包括煤煙和灰燼的顆粒物質(zhì)已是內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)研究領(lǐng)域的特別關(guān)注點(diǎn)。減少這些不希望的廢氣成分往往以效率特性為代價(jià)，例如燃料效率和/或可達(dá)到的發(fā)動(dòng)機(jī)速度或者發(fā)動(dòng)機(jī)功率。此外，減少NOx的策略會(huì)增加顆粒物質(zhì),反之亦然。如上所述,近幾年來(lái),發(fā)動(dòng)機(jī)的部件形狀和操作參數(shù)以幾乎數(shù)不清的方式進(jìn)行變化。特別關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域(area)包括試圖以這種方式成形活塞燃燒面以使某些廢氣排放降低而不犧牲效率。
[0004]旨在減少排放而不過(guò)度犧牲效率的一個(gè)普遍活塞設(shè)計(jì)包括由活塞燃燒面限定的燃燒碗，活塞燃燒面暴露于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室并限定發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的一部分。相信燃燒碗在燃燒期間會(huì)以這種方式影響氣體和霧化液體燃料的流動(dòng)和燃燒性能，使得燃燒產(chǎn)物的組成可以出于各種目的調(diào)整。
[0005]目前，盡管對(duì)活塞燃燒碗開展了大量的研究和商業(yè)設(shè)計(jì)，在燃燒事件期間涉及碗形狀和活塞邊緣形狀的燃燒學(xué)仍不能被完全理解。眾所周知的是，對(duì)燃燒碗和/或邊緣幾何結(jié)構(gòu)的即使相對(duì)小的修改也會(huì)對(duì)燃燒產(chǎn)物的類型和相對(duì)比例產(chǎn)生明顯影響。由于缺乏足夠的了解，本領(lǐng)域幾乎沒有對(duì)如何實(shí)現(xiàn)任何具體設(shè)定的目標(biāo)提供引導(dǎo)。工程師們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，他們知道的許多不同變量對(duì)排放和/或效率有一些影響，但是這些變量和其它因素的編組往往不會(huì)帶來(lái)令人滿意并且可預(yù)知的結(jié)果。開發(fā)合適的設(shè)計(jì)往往需要多年的研究和開發(fā)，包括全面的應(yīng)用、測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)分析。一種專用的活塞設(shè)計(jì)由Mahakul等人的美國(guó)專利US7, 025，031 獲知。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]一方面，提供一種活塞，用來(lái)減少在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中在經(jīng)過(guò)活塞上死點(diǎn)位置之后直接噴射到壓縮點(diǎn)火內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的直徑大約為265mm的氣缸孔內(nèi)的燃料的燃燒期間顆粒物質(zhì)的產(chǎn)生?；钊ɑ钊w，其限定在第一軸向主體端和第二軸向主體端之間延伸的縱向軸線并且包括在第一軸向主體端和第二軸向主體端之間延伸并且限定大約263mm的活塞體直徑的外主體表面，以及位于第一軸向主體端上面的燃燒面。燃燒面包括一起形成燃燒碗的凸出的內(nèi)碗表面和凹入的外碗表面，以及一起形成繞燃燒碗周向延伸的環(huán)形活塞邊緣的外邊緣表面和內(nèi)邊緣表面。環(huán)形活塞邊緣限定一平面，該平面延伸經(jīng)過(guò)外邊緣表面和內(nèi)邊緣表面的交叉點(diǎn)并垂直于縱向軸線取向。燃燒碗具有水平直徑和距平面的豎直深度，因此直徑與深度的比為大約7:1，并且凹入的外碗表面限定使凹入的外碗表面與深度和直徑相配合的曲率半徑，因此燃燒碗的輪廓在凸出的內(nèi)碗表面徑向外部均勻彎曲和無(wú)凹角。內(nèi)外邊緣表面一起構(gòu)成環(huán)形邊緣的水平寬度，內(nèi)邊緣表面寬度與外邊緣表面寬度的比為大約1:1到大約2:1。內(nèi)邊緣表面包括以大約9°到大約11°的傾角從平面豎直向下傾斜的斜面，因此環(huán)形邊緣的輪廓是外邊緣表面的均勻線性徑向內(nèi)部，并且被去除以限制直接噴射的燃料通過(guò)活塞朝向氣缸孔壁的偏移。
[0007]另一方面，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)包括發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和燃料噴射器，發(fā)動(dòng)機(jī)殼體具有形成在其中的具有限定大約265_氣缸孔直徑的內(nèi)壁的氣缸孔,燃料噴射器至少部分位于氣缸孔內(nèi)并被配置為在那里直接噴射燃料。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步包括位于氣缸孔內(nèi)并能夠從下死點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)到上死點(diǎn)位置的活塞，因此氣缸孔內(nèi)的流體壓力增加大約十五倍或更大以使直接噴射的燃料和空氣自動(dòng)點(diǎn)火?；钊M(jìn)一步包括燃燒面，具有一起形成燃燒碗的凸出的內(nèi)碗表面和凹入的外碗表面，以及一起形成繞燃燒碗周向延伸的環(huán)形活塞邊緣的外邊緣表面和內(nèi)邊緣表面。環(huán)形活塞邊緣限定一平面，該平面延伸經(jīng)過(guò)外邊緣表面和內(nèi)邊緣表面的交叉點(diǎn)并垂直于縱向軸線取向。燃燒碗具有水平直徑和距平面的豎直深度，因此直徑與深度的比為大約7:1。凹入的外碗表面限定使凹入的外碗表面與深度和直徑相配合并且形成燃燒碗無(wú)凹角輪廓的曲率半徑。內(nèi)外邊緣表面一起構(gòu)成環(huán)形邊緣的水平寬度，內(nèi)邊緣表面寬度與外邊緣表面寬度的比為大約1:1到大約2:1。內(nèi)邊緣表面包括以大約9°到大約11°的傾角從平面豎直向下傾斜并且形成環(huán)形邊緣的去除輪廓的斜面。
[0008]又一方面，操作內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法包括在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，因此與曲軸相連的活塞在具有大約265mm氣缸孔直徑的氣缸孔內(nèi)在下死點(diǎn)位置和上死點(diǎn)位置之間運(yùn)動(dòng)。該方法進(jìn)一步包括將燃料直接噴射到氣缸孔內(nèi)，因此至少一些燃料是在活塞已在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中經(jīng)過(guò)上死點(diǎn)位置之后噴射的。該方法更進(jìn)一步包括通過(guò)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)定位活塞，因此以大約9°到大約11°的傾角傾斜的活塞傾斜內(nèi)邊緣表面位于在活塞已經(jīng)經(jīng)過(guò)上死點(diǎn)位置之后噴射的燃料的噴射路徑上。該方法更進(jìn)一步包括經(jīng)由傾斜內(nèi)邊緣表面上的沖擊將在活塞已經(jīng)經(jīng)過(guò)上死點(diǎn)位置之后噴射的燃料至少部分引導(dǎo)至具有碗直徑與碗深度比為大約7:1的活塞燃燒碗內(nèi)，因此噴射的燃料通過(guò)活塞朝向氣缸孔壁的偏移受到限制。該方法更進(jìn)一步包括對(duì)氣缸孔內(nèi)包括噴射燃料和空氣的混合物進(jìn)行自動(dòng)點(diǎn)火。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的部分剖面的側(cè)向示意圖；
[0010]圖2是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的活塞的剖面?zhèn)纫晥D；
[0011]圖3是根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的活塞的剖面?zhèn)纫晥D；
[0012]圖4是現(xiàn)有活塞的剖面?zhèn)认蚴疽鈭D，顯示出其在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中與來(lái)自燃料噴射器的燃料噴射流相互作用時(shí)的狀態(tài)；和
[0013]圖5是根據(jù)本發(fā)明的活塞的剖面?zhèn)认蚴疽鈭D，顯示出其在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中與來(lái)自燃料噴射器的燃料噴射流相互作用時(shí)的狀態(tài)。

【具體實(shí)施方式】
[0014]參考圖1,根據(jù)一個(gè)實(shí)施例圖不出包括壓縮點(diǎn)火式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)12的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10。發(fā)動(dòng)機(jī)12可包括具有形成在其中的多個(gè)氣缸孔的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體14,圖不出一個(gè)氣缸孔并通過(guò)參考數(shù)字22標(biāo)示。發(fā)動(dòng)機(jī)12進(jìn)一步包括氣缸蓋16,其以常規(guī)方式與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體14相連并且包括形成在其中并各自與氣缸孔22流體連通的進(jìn)氣管道18和排氣管道20。發(fā)動(dòng)機(jī)12可包括直接噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)，為此包括具有燃料噴射器30的燃料系統(tǒng)24，燃料噴射器至少部分位于氣缸孔22內(nèi)并被配置為在其中直接噴射燃料。燃料系統(tǒng)24可以是相對(duì)高壓的共軌燃料系統(tǒng)，包括被配置為將加壓液體燃料、例如液體柴油餾出物供給到為燃料噴射器30提供供給的共軌28的高壓泵26。
[0015]在實(shí)際應(yīng)用的多缸策略中，共軌28將加壓燃料供給到多個(gè)燃料噴射器30，各個(gè)燃料噴射器至少部分設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體14中的多個(gè)氣缸孔中的一個(gè)內(nèi)，其中設(shè)置大體上相同的活塞，正如在此進(jìn)一步論述的。燃料噴射壓力可以為大約200Mpa，或者可能更大。在某些實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)12可以包括總共12或16個(gè)氣缸孔，并且具有大約4600馬力的額定功率輸出。盡管本發(fā)明并不由此受到限制，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10可適用于實(shí)際上使發(fā)動(dòng)機(jī)12始終保持運(yùn)行的服務(wù)型應(yīng)用，例如機(jī)車和某些海事應(yīng)用，并且通常被配置為為發(fā)電機(jī)提供功率從而發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10形成機(jī)車、船舶等等機(jī)載的所謂發(fā)電機(jī)組的一部分。
[0016]正如上所述，近些年來(lái)已對(duì)用于各種環(huán)境中的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置和/或增加某些限制，為此發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10可特別被配置為在操作期間減少某些廢氣排放物的產(chǎn)生，特別是顆粒物質(zhì)和氮氧化物或者NOx。為此，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10還可配有廢氣再循環(huán)回路34，其流體連接在進(jìn)氣管道18和排氣管道20之間并且具有位于其中的廢氣再循環(huán)閥36。發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10還通過(guò)相對(duì)高的燃料噴射壓力、設(shè)置為從排氣管道20接收排出氣體的選擇性催化還原(SCR)模塊32以及其它特征進(jìn)行改變以適用于減少如上所述的廢氣排放物的產(chǎn)生。除了例如EGR回路34、燃料系統(tǒng)24和SCR模塊32的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10的部件之外，發(fā)動(dòng)機(jī)硬件以及特別是直接暴露于氣缸孔22內(nèi)的燃燒過(guò)程的表面形狀以通過(guò)接下來(lái)的描述顯而易見的方式幫助達(dá)到排放目標(biāo)。
[0017]為此，發(fā)動(dòng)機(jī)12進(jìn)一步包括位于氣缸孔22中并能夠在下死點(diǎn)位置和上死點(diǎn)位置之間運(yùn)動(dòng)的活塞40，因此氣缸孔22內(nèi)的流體壓力增加大約十五倍或更大以使在那里直接噴射的燃料和空氣自動(dòng)點(diǎn)火。發(fā)動(dòng)機(jī)12的壓縮比可以為大約15.9:1?；钊?0可按照常規(guī)方式37與曲軸37相連以使活塞40在其上下死點(diǎn)位置之間運(yùn)動(dòng)。與某些其它發(fā)動(dòng)機(jī)操作策略和結(jié)構(gòu)相比，活塞40特別適用于減少發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中在活塞40的上死點(diǎn)位置之后直接噴射的燃料燃燒期間顆粒物質(zhì)的產(chǎn)生。活塞40可進(jìn)一步被特別配置為用在直徑為大約265毫米(mm)的氣缸孔內(nèi)，在圖1中通過(guò)氣缸孔直徑尺寸38圖示。
[0018]活塞40可包括活塞體42，其限定在第一軸向主體端50和第二軸向主體端52之間延伸的縱向軸線48。活塞42可進(jìn)一步包括外主體表面54,其在第一軸向主體端50和第二軸向主體端52之間延伸并且限定大約263mm的活塞體直徑56?；钊w42進(jìn)一步包括在第一軸向主體端50上面的燃燒面58。在實(shí)際應(yīng)用策略中，活塞40可被配置為具有附接于裙邊46的冠部44的兩件式活塞，不過(guò)一件式活塞體同樣落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。在實(shí)際應(yīng)用策略中，活塞40配有活塞環(huán)并在由氣缸襯套限定的氣缸孔內(nèi)在其下死點(diǎn)位置和上死點(diǎn)位置之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不過(guò)活塞環(huán)、氣缸襯套和發(fā)動(dòng)機(jī)12的某些其它部件都沒有圖示于圖1中。
[0019]燃燒面58包括一起形成燃燒碗64的凸出的內(nèi)碗表面60和凹入的外碗表面62。燃燒面58進(jìn)一步包括一起形成繞燃燒碗64周向延伸的環(huán)形活塞邊緣70的外邊緣表面66和內(nèi)邊緣表面68。表面66以及68限定平面72，該平面延伸經(jīng)過(guò)外邊緣表面66和內(nèi)邊緣表面68的交叉點(diǎn)74并垂直于縱向軸線48取向?；钊?0在包括縱向軸線48的截平面上描繪在圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)12中。可以理解的是，圖示于圖1中的活塞40以及燃燒面58的輪廓是轉(zhuǎn)動(dòng)輪廓，因此該輪廓在關(guān)于縱向軸線48的任一角度取向上沿類似截面截取應(yīng)當(dāng)是相同的。正如上所述，活塞40的某些特征，尤其是燃燒面58的形狀特別適合于在燃燒過(guò)程中參與直接噴射的燃料、空氣和經(jīng)由EGR回路34輸送的可能的廢氣的分配、引導(dǎo)以及混合。正如根據(jù)接下來(lái)的描述進(jìn)一步顯而易見的，燃燒面58的相對(duì)比例、形狀、尺寸、角度關(guān)系以及其他幾何屬性使達(dá)到減少顆粒物質(zhì)產(chǎn)生的目標(biāo)變得可能，尤其是滿足或者甚至超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)10落入的發(fā)動(dòng)機(jī)類型和功率等級(jí)的所謂Tier IV Final的要求。
[0020]燃燒碗64具有水平直徑76和距平面72的豎直深度78，使得直徑76與深度78的比為大約7:1。更具體而言，該比可以是大約6.97:1到大約6.99:1。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，與某些已知的活塞碗設(shè)計(jì)相比，這種碗直徑和深度的比相對(duì)要寬并且淺。外碗表面62可進(jìn)一步限定使外碗表面62與深度78和直徑76相配合的曲率半徑80，使得燃燒碗64的輪廓在內(nèi)碗表面60的徑向外部均勻地彎曲并且是無(wú)凹角的。該曲率在徑向方向上是一致的，如圖1所示，同樣在周向轉(zhuǎn)動(dòng)方向上也是一致的。理解該特征的另一種方式是，半徑80成形燃燒面58,使得外碗表面62可在向外方向上從內(nèi)碗表面60平穩(wěn)過(guò)渡,并且要求碗64的曲率基本上沒有變化以獲得希望的碗孔比，并且具有無(wú)凹角形狀，使得在燃燒面58在碗64和邊緣70之間過(guò)渡的區(qū)域附近，碗64不延伸經(jīng)過(guò)豎直取向。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)理解與凹角和無(wú)凹角燃燒碗相關(guān)的各種差異，尤其是在直接噴射壓縮點(diǎn)火范疇內(nèi)，因?yàn)槿紵陂g得到的不同流動(dòng)的氣體和噴射燃料會(huì)導(dǎo)致不同的燃燒性能。
[0021]現(xiàn)在同樣參考圖2，內(nèi)邊緣表面68和外邊緣表面66以內(nèi)邊緣表面寬度84與外邊緣表面寬度86的比一起構(gòu)成環(huán)形邊緣70的水平寬度82。換言之，邊緣70的總寬度是由內(nèi)邊緣表面68的寬度和外邊緣表面66的寬度以一比另一的比構(gòu)成的。在實(shí)際應(yīng)用策略中，內(nèi)邊緣表面寬度84和外邊緣表面寬度86的比可從大約1:1到大約2:1。更具體而言，該比可從大約1.5:1到大約1.8:1。再更具體而言，該比可以是大約1.52:1到大約1.78:1。正如這里所用的，術(shù)語(yǔ)“大約”可總體在有效位數(shù)一致的數(shù)字的慣用四舍五入范圍內(nèi)理解。因此，“大約265mm”表示從264.5mm到265.4mm。在此公開的比范圍內(nèi)，應(yīng)用類似的慣例但只對(duì)比的第一數(shù)值進(jìn)行四舍五入。在不使用術(shù)語(yǔ)“大約”的數(shù)量方面，由于沒有數(shù)量總是能夠真實(shí)準(zhǔn)確獲知的，本領(lǐng)域技術(shù)人員理解為可適用更具約束性的理解。例如，由于“大約1:1”應(yīng)被理解為表示從0.5:1.0到1.4:1.0，不帶術(shù)語(yǔ)“大約”的術(shù)語(yǔ)1:1本身應(yīng)作更狹義的解釋。
[0022]內(nèi)邊緣表面68可進(jìn)一步包括以從大約9°到大約11°的傾角88從平面72豎直向下傾斜的斜面，因此環(huán)形邊緣70的輪廓是外邊緣表面66的均勻線性徑向內(nèi)部，并且被去除以限制直接噴射的燃料通過(guò)活塞40朝向氣缸孔22的壁23的偏移?！叭コ笔侵竿ㄟ^(guò)從邊緣70和碗64的交叉點(diǎn)處原本基本為直角的轉(zhuǎn)角去除材料獲得的輪廓。正如由接下來(lái)的描述而進(jìn)一步顯而易見的，邊緣70的特征結(jié)合燃燒碗64的特征以及發(fā)動(dòng)機(jī)12的其他特征限制燃料偏移成與壁23接觸，因此燃料可參與燃燒過(guò)程，并且總體上避免本領(lǐng)域內(nèi)稱作“濕壁”的現(xiàn)象。這導(dǎo)致由于液體燃料接觸相對(duì)冷的壁23或者未能完全燃燒造成的煙霧減少，同時(shí)減少積聚在通常在操作期間以眾所周知的方式在殼體14和活塞40之間流動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)油中的煤煙等等。
[0023]燃燒面58可進(jìn)一步包括在內(nèi)邊緣表面68和凹入的外碗表面62之間過(guò)渡的環(huán)形唇表面90。內(nèi)邊緣表面68可從平面72到環(huán)形唇表面90傾斜豎直距離92，換言之傾斜一傾角斜距(chamfer slope distance)。在實(shí)際應(yīng)用策略中，內(nèi)邊緣表面寬度84可比豎直距離92大大約五倍或者更大。過(guò)渡進(jìn)一步從唇表面90向內(nèi)，而凹入的外碗表面62可清晰地被理解為具有整體凹入的形狀，表面62的相對(duì)小的豎直或者直壁部分可鄰接唇表面90并且具有直壁高度94。在某些實(shí)施例中，直壁高度94可為大約2mm。同樣圖示于圖2中的是由凸出的內(nèi)邊緣表面60限定的底部角度61。在實(shí)際應(yīng)用策略中，底部角度可以為大約142°。同樣在實(shí)際應(yīng)用策略中，曲率半徑80可以小于燃燒碗64的豎直深度78。直徑76可比半徑80大大約九倍或者更大。更具體而言，半徑80可以為大約20mm，深度78可以為大約30mm,直徑76可以為大約210mm。再更具體而言，半徑80可以為23.36mm,深度78可以為30.03mm，直徑76可以為209.5mm。就與邊緣70有關(guān)的特征而言，在實(shí)際應(yīng)用策略中豎直距離92可以為大約3mm，內(nèi)邊緣表面寬度84可以為大約17mm。外邊緣表面寬度86可以為大約10mm。正如由圖2所見,外邊緣表面66可以是平面的，因此平面72經(jīng)過(guò)交叉點(diǎn)74，但是同時(shí)也與外邊緣表面66本身基本共面。在實(shí)際應(yīng)用策略中，由凹入的外碗表面66限定的圓，換言之具有半徑80的圓的中心之間的中心距96可以為大約163mm。通過(guò)距離96分開的這些圓的中心可以位于平面72下方，例如距離大約6.7mm。燃燒碗64的總?cè)莘e可以為大約813cm3,不包括經(jīng)過(guò)凸出的內(nèi)碗表面60的孔(未標(biāo)號(hào))。
[0024]如上所示，外邊緣表面66可以是平面的?，F(xiàn)在參見圖3，在替代實(shí)施例中，預(yù)計(jì)落入本發(fā)明范圍內(nèi)的活塞可具有本身為大體斜面形式的外邊緣表面，與平面大不相同。在圖3中，活塞140包括活塞體142，其具有限定燃燒碗164的燃燒面158。燃燒面158還包括一起形成繞燃燒碗164周向延伸的環(huán)形邊緣170的外邊緣表面166和內(nèi)邊緣表面168。未作為不同而在此論述的燃燒碗164的特征以及就這點(diǎn)而論活塞140的特征可被理解為與結(jié)合上述活塞40論述和圖示的那些特征基本上一致。在圖3實(shí)施例中，外邊緣表面166和內(nèi)邊緣表面168可被理解為以內(nèi)邊緣表面寬度184與外邊緣表面寬度186的比一起構(gòu)成邊緣170的水平寬度。邊緣170限定延伸經(jīng)過(guò)邊緣表面166和168的交叉點(diǎn)174的平面172。內(nèi)邊緣表面168可包括以傾角188從平面72豎直向下傾斜的斜面，該傾角可以與結(jié)合上述活塞42論述的傾角和角度范圍相同。內(nèi)邊緣表面寬度184與外邊緣表面寬度186的比也可與結(jié)合活塞42論述的比相同。內(nèi)邊緣表面168還可以傾角188豎直向下傾斜并距平面172一豎直距離192，其大體與活塞42中的角度88和距離92類似并且相同。和活塞42相比，外邊緣表面166可以大于角度188的第二角度190從交叉點(diǎn)174朝向活塞142的外主體表面豎直向上傾斜。表面166從平面172上升的豎直距離由參考數(shù)字198圖示，并且可以為大約3_。活塞140中的邊緣形狀可給出與活塞40就減少顆粒物質(zhì)產(chǎn)生而言類似的優(yōu)勢(shì)。外邊緣表面166的向上傾斜結(jié)構(gòu)還將其它邊緣表面設(shè)置在幫助限制濕壁的取向上，同時(shí)減少活塞和氣缸蓋之間的所謂擠壓容積來(lái)限制易于發(fā)生不完全燃燒的孔22的容積。
[0025]工業(yè)實(shí)用件
[0026]正如上所述，活塞和壓縮點(diǎn)火內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的各種幾何特征以及發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件和策略可影響效率和排放。這些參數(shù)中的許多參數(shù)的特定作用相對(duì)理解的不夠充分，并且各參數(shù)的交叉耦合往往意味著觸發(fā)任何特定的一個(gè)都具有不可預(yù)知的后果。調(diào)合這些挑戰(zhàn)的是廠商與廠商之間發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)以及操作方面的某些變化，這些變化不能明確地用來(lái)解決效率和/或排放，但是形成了任何一種特定發(fā)動(dòng)機(jī)或者活塞可如何配置的固定外部限制，因此限制了可用的設(shè)計(jì)方案。需要再次提出的是，出于減少某些排放的目的，發(fā)動(dòng)機(jī)10可以相對(duì)高的燃料噴射壓力和廢氣再循環(huán)進(jìn)行操作。廢氣再循環(huán)易于冷卻燃燒溫度，減少N0X，但是同時(shí)會(huì)增加經(jīng)由燃燒產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)或者煤煙的量。發(fā)動(dòng)機(jī)10中采用的減少NOx的其它策略包括延遲噴射正時(shí)，其中在活塞40到達(dá)并且經(jīng)過(guò)其在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中的上死點(diǎn)位置之后的一段時(shí)間進(jìn)行燃料噴射。在實(shí)際應(yīng)用策略中，噴射可在上死點(diǎn)位置前大約2°處開始，并且持續(xù)到上死點(diǎn)位置之后大約7或者8°曲柄角處。這被認(rèn)為具有擴(kuò)散燃燒起主導(dǎo)作用的結(jié)果，與勻質(zhì)裝載的壓縮點(diǎn)火不同，同時(shí)還與減少NOx產(chǎn)生有關(guān)。這兩個(gè)策略，延遲噴射正時(shí)和廢氣再循環(huán)在減少NOx方面都有有益效果，但也可能增加顆粒物質(zhì)的產(chǎn)生。相對(duì)較高的噴射壓力可經(jīng)由更大的燃料霧化促進(jìn)噴射燃料的相對(duì)完全燃燒，可能減少顆粒物質(zhì)，但也增加燃料噴射的穿透深度，這會(huì)產(chǎn)生或者加重所謂的濕壁或者其它問(wèn)題，導(dǎo)致顆粒物質(zhì)產(chǎn)生增加。
[0027]因此本例代表工程師們面臨改善具有許多固定的外部限制、例如孔尺寸和一般情況下的發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的已有發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)的排放的挑戰(zhàn)的場(chǎng)面。由于重新設(shè)計(jì)氣缸孔和明顯改變壓縮比是不希望的選擇，對(duì)燃燒碗的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量的試驗(yàn)。最終可以確定的是，廢氣再循環(huán)、延遲噴射正時(shí)和對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)的某些其它小改動(dòng)理論上可以充分減少Nox以滿足Tier IV Final要求。然而，只有能夠解決對(duì)顆粒物質(zhì)產(chǎn)生存在的潛在不利影響，這些策略才可以實(shí)現(xiàn)。由于防止燃料噴霧朝向氣缸壁偏移的燃燒碗和邊緣設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)可以獲得或者甚至超出期望的排放圖(emiss1ns profile)，而不需對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)進(jìn)行不希望的或者不合實(shí)際的改動(dòng)。這至少部分源于這樣的見識(shí)，即通過(guò)去除鄰近燃燒碗邊緣的相對(duì)少量的材料可以模擬相對(duì)較寬的燃燒碗，從而能夠使燃料噴霧推向或者導(dǎo)回向氣缸孔的中心，并且轉(zhuǎn)向燃燒碗而不是朝向氣缸孔壁偏移。通過(guò)接下來(lái)對(duì)示例性現(xiàn)有策略與本申請(qǐng)比較的論述，這些原則將進(jìn)一步顯而易見。
[0028]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖4，圖示出已有的活塞240，其具有被平活塞邊緣270環(huán)繞的燃燒碗264。燃料噴射器230圖示為其以燃料噴射流275噴射燃料時(shí)的狀態(tài)，具有在噴射流中大體中心定位的軸線277。在圖4中，需要指出的是，軸線277以這種方式偏離邊緣270，因此燃料噴射流274或其一部分從邊緣270彈開并彈向其中設(shè)置有活塞240的氣缸孔壁。與此相反，圖5圖示活塞40在具有中心軸線77的燃料噴射流75已經(jīng)噴射且靠近發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中噴射停止點(diǎn)時(shí)的狀態(tài)，例如，活塞40處于經(jīng)過(guò)上死點(diǎn)位置幾度的地方。需要注意的是，燃料噴射流75的中心軸線77偏離邊緣70并且返回到燃燒碗64。以這種總體方式，預(yù)期很少(如果有的話)的燃料噴射朝著氣缸孔壁反彈，相反燃料將被引導(dǎo)到燃燒碗64中。在圖5所示的狀態(tài)下，活塞40向下運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)可幫助實(shí)現(xiàn)燃料噴射的希望導(dǎo)向。當(dāng)活塞40如圖5在其上死點(diǎn)位置和下死點(diǎn)位置之間運(yùn)動(dòng)時(shí)，曲軸37必然轉(zhuǎn)動(dòng)。將以燃料噴射流75直接噴射到氣缸孔噴射燃料，因此至少一些燃料是在活塞40經(jīng)過(guò)其上死點(diǎn)位置之后噴射的。曲軸37的轉(zhuǎn)動(dòng)因而易于定位活塞40使得內(nèi)邊緣表面68取向成使燃料噴射轉(zhuǎn)向或者幫助轉(zhuǎn)向，如圖5，從而防止偏向氣缸壁23并最終撞在氣缸壁23上。換句話說(shuō)，曲軸37的轉(zhuǎn)動(dòng)以及曲柄角和活塞位置的因果關(guān)系(linking)可使內(nèi)邊緣表面68能夠定位在活塞40經(jīng)過(guò)其上死點(diǎn)位置之后噴射的燃料的噴射路徑上。在燃料噴射期間，噴射流75可與氣缸孔22內(nèi)的空氣自動(dòng)點(diǎn)火。圖5中由燃料噴射流75限定的噴射角81可以為大約140°。
[0029]需要再次提出的是，燃燒碗64可被認(rèn)為是模擬較寬的碗。雖然較寬的碗可以克服如圖4所示的問(wèn)題，但也可預(yù)料較寬的碗在活塞和/或發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中引入其它問(wèn)題、不確定性或者復(fù)雜性。這種復(fù)雜性中的一個(gè)為對(duì)燃燒碗容積的影響，這又影響壓縮比。換句話說(shuō)，雖然從控制燃料噴射在氣缸中的走向以利用較寬的燃燒碗的觀點(diǎn)這可以是可行策略，但這種策略至少部分由于對(duì)壓縮比的預(yù)期影響而不利?；钊蛘邭飧咨w設(shè)計(jì)或甚至行程距離中的其它改變都可能是補(bǔ)償變化壓縮比所必需的。反之來(lái)自現(xiàn)有平臺(tái)的壓縮比變化僅僅略微減小。
[0030]因此本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)10排放目標(biāo)的嘗試本能夠采取多種不同途徑，包括嘗試使用相對(duì)較大的燃燒碗、嘗試?yán)迷俅芜M(jìn)入、可變的閥正時(shí)或者各種其它策略中的任何一種。因此僅僅依賴開發(fā)例如傾斜的內(nèi)邊緣表面的設(shè)計(jì)來(lái)在多種其他潛在可能的選擇中控制燃料噴射方向和偏轉(zhuǎn)，這些潛在可能的選擇本身甚至存在優(yōu)化傾斜的內(nèi)邊緣表面和其他活塞特征的理論可能性。在目前情況下，發(fā)現(xiàn)延遲噴射正時(shí)、噴射角度、一般活塞尺寸以及其他因素的組合有助于在此作為優(yōu)選策略給出的內(nèi)邊緣表面和外邊緣表面寬度比、燃燒碗直徑與深度比和內(nèi)邊緣表面的幾何結(jié)構(gòu)。
[0031]當(dāng)前說(shuō)明書僅僅是示例性目的，不應(yīng)解釋為以任一方式使本發(fā)明的范圍變窄。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的完整合理范圍和本質(zhì)的情況下可對(duì)當(dāng)前公開的實(shí)施例進(jìn)行各種變型。根據(jù)檢查附帶的附圖和所附的權(quán)利要求書，其他方面、特征和優(yōu)勢(shì)是顯而易見的。
【權(quán)利要求】
1.一種活塞，用來(lái)減少在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中在活塞的上死點(diǎn)位置之后直接噴射到壓縮點(diǎn)火內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的直徑為大約265_的氣缸孔內(nèi)的燃料的燃燒期間顆粒物質(zhì)的產(chǎn)生，該活塞包括: 活塞體，其限定在第一軸向主體端和第二軸向主體端之間延伸的縱向軸線并且包括在第一軸向主體端和第二軸向主體端之間延伸并且限定大約263mm的活塞體直徑的外主體表面以及位于第一軸向主體端上面的燃燒面； 燃燒面包括一起形成燃燒碗的凸出的內(nèi)碗表面和凹入的外碗表面，以及一起形成環(huán)形活塞邊緣的外邊緣表面和內(nèi)邊緣表面，該環(huán)形活塞邊緣繞燃燒碗周向延伸并且限定延伸經(jīng)過(guò)外邊緣表面和內(nèi)邊緣表面的交叉點(diǎn)并垂直于縱向軸線取向的平面； 燃燒碗具有水平直徑和距所述平面的豎直深度，使得直徑與深度的比為大約7:1，并且凹入的外碗表面限定使凹入的外碗表面與所述深度和直徑相配合的曲率半徑，從而燃燒碗的輪廓在凸出的內(nèi)碗表面的徑向外部均勻彎曲并且是無(wú)凹角的；以及 內(nèi)邊緣表面和外邊緣表面一起構(gòu)成環(huán)形邊緣的水平寬度，內(nèi)邊緣表面寬度與外邊緣表面寬度的比從大約1:1到大約2:1，內(nèi)邊緣表面包括以大約9°到大約11°的傾角從平面豎直向下傾斜的斜面，使得環(huán)形邊緣的輪廓是外邊緣表面的均勻線性徑向內(nèi)部，并且被去除以限制直接噴射的燃料通過(guò)活塞朝向氣缸孔壁的偏移。
2.如權(quán)利要求1所述的活塞,其中，內(nèi)邊緣表面寬度與外邊緣表面寬度的比值為從大約1.5:1到大約1.8:1 ; 其中燃燒面進(jìn)一步包括在內(nèi)邊緣表面和凹入的外碗表面之間過(guò)渡的環(huán)形唇表面，內(nèi)邊緣表面從平面到環(huán)形唇表面傾斜一豎直距離，內(nèi)邊緣表面寬度比豎直距離大大約五倍或者更大。
3.如權(quán)利要求2所述的活塞，其中，豎直距離為大約3mm，內(nèi)邊緣表面寬度為大約17mm ； 其中內(nèi)邊緣表面寬度為大約17mm并且外邊緣表面寬度為大約1mm ；以及 外邊緣表面是平面的，內(nèi)邊緣表面的傾角為大約10°。
4.如權(quán)利要求2所述的活塞，其中，外邊緣表面從與內(nèi)邊緣表面的交叉點(diǎn)朝向外主體表面豎直向上傾斜。
5.如權(quán)利要求4所述的活塞，其中，外邊緣表面以比所述傾角更陡峭的第二角度從交叉點(diǎn)豎直向上傾斜。
6.如權(quán)利要求1所述的活塞，其中，由凹入的外碗表面限定的曲率半徑小于燃燒碗的深度，燃燒碗的直徑比曲率半徑大大約九倍或者更大； 其中曲率半徑為大約20mm，深度為大約30mm，直徑為大約210mm。
7.—種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī),包括: 發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，其具有形成在其中的氣缸孔，氣缸孔包括限定大約265mm氣缸孔直徑的內(nèi)壁； 燃料噴射器，其至少部分位于氣缸孔內(nèi)并能夠在氣缸孔里直接噴射燃料； 活塞，其位于氣缸孔內(nèi)并能夠從下死點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)到上死點(diǎn)位置，使得氣缸孔內(nèi)的流體壓力增加大約十五倍或更大以使直接噴射的燃料和空氣自動(dòng)點(diǎn)火； 活塞包括燃燒面，該燃燒面具有一起形成燃燒碗的凸出的內(nèi)碗表面和凹入的外碗表面以及一起形成環(huán)形活塞邊緣的外邊緣表面和內(nèi)邊緣表面，環(huán)形活塞邊緣繞燃燒碗周向延伸并限定延伸經(jīng)過(guò)外邊緣表面和內(nèi)邊緣表面的交叉點(diǎn)并垂直于縱向軸線取向的平面； 燃燒碗具有水平直徑和距所述平面的豎直深度，使得碗直徑與碗深度的比值為大約7:1，凹入的外碗表面限定使凹入的外碗表面與所述深度和直徑相配合并且形成燃燒碗的無(wú)凹角輪廓的曲率半徑；以及 內(nèi)邊緣表面和外邊緣表面一起構(gòu)成環(huán)形邊緣的水平寬度，內(nèi)邊緣表面寬度與外邊緣表面寬度的比從大約1:1到大約2:1，并且內(nèi)邊緣表面包括以大約9°到大約11°的傾角從平面豎直向下傾斜并且形成環(huán)形邊緣的去除輪廓的斜面。
8.如權(quán)利要求7所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，燃燒碗的直徑為大約210_，燃燒碗的深度為大約30mm,曲率半徑為大約20mm ； 其中內(nèi)邊緣表面寬度和外邊緣表面寬度的比為大約1.5:1到大約1.8:1 ; 傾角為大約10° ;以及 外邊緣表面是平面的。
9.如權(quán)利要求7所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，外邊緣表面從與內(nèi)邊緣表面的交叉點(diǎn)朝向外主體表面豎直向上傾斜；以及 外邊緣表面以比所述傾角更陡峭的第二角度向上傾斜。
10.一種操作內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，包括如下步驟: 在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，使得與曲軸相連的活塞在具有大約265_的氣缸孔直徑的氣缸孔內(nèi)在下死點(diǎn)位置和上死點(diǎn)位置之間運(yùn)動(dòng)； 將燃料直接噴射到氣缸孔內(nèi)，使得至少一些燃料是在活塞已在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中經(jīng)過(guò)上死點(diǎn)位置之后噴射的； 通過(guò)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)定位活塞，使得以大約9°到大約11°的傾角傾斜的活塞傾斜內(nèi)邊緣表面位于在活塞已經(jīng)經(jīng)過(guò)上死點(diǎn)位置之后噴射的燃料的噴射路徑內(nèi)； 至少部分經(jīng)由傾斜內(nèi)邊緣表面上的沖擊將在活塞已經(jīng)經(jīng)過(guò)上死點(diǎn)位置之后噴射的燃料引導(dǎo)至碗直徑與碗深度的比為大約7:1的活塞燃燒碗內(nèi)，使得噴射燃料通過(guò)活塞朝向氣缸孔壁的偏移受到限制；以及 對(duì)氣缸孔內(nèi)包括噴射燃料和空氣的混合物進(jìn)行自動(dòng)點(diǎn)火。
【文檔編號(hào)】F02B23/06GK104295397SQ201410340077
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月17日
【發(fā)明者】D·A·皮爾龐特, R·P·S·?？ɡ? J·P·蒂蒙斯, M·B·格茨克, K·M·辛科 申請(qǐng)人:電動(dòng)內(nèi)燃機(jī)公司