用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種活塞和發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括各種精確的結(jié)構(gòu)參數(shù)，這些參數(shù)包括燃燒室特征部的尺寸、外形和/或相對(duì)定位。更具體地，提供了活塞頂和位于該活塞頂內(nèi)的活塞碗的結(jié)構(gòu)參數(shù)?；钊虢Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致燃燒過(guò)程產(chǎn)生了至內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋的降低的傳熱，也降低了NOx排放。
【專利說(shuō)明】用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2011年3月17日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61 / 453，858的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)以引用方式全部并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本公開內(nèi)容涉及一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞的活塞碗的幾何形狀。
【背景技術(shù)】
[0004]內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者已受到挑戰(zhàn)來(lái)提高燃料效率和減小排放以滿足政府法規(guī)和消費(fèi)者期望。同時(shí)實(shí)現(xiàn)提高燃料效率和減小排放的途徑之一是提高在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室中燃燒燃料的效率。
[0005]消費(fèi)者也要求提高內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命和可靠性。內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室中的高溫給內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋施加了顯著的應(yīng)力，從而降低了氣缸蓋和安裝于氣缸蓋中的零件的壽命O
[0006]如果可以改進(jìn)和完成燃料和空氣或氧氣在燃燒室的遠(yuǎn)離氣缸蓋的部分中的混合，則可實(shí)現(xiàn)提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和減小顆粒物質(zhì)排放。此外，可以降低施加到氣缸蓋上的來(lái)自燃燒溫度的應(yīng)力，從而提高了氣缸蓋的可靠性。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]本公開提供一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，該內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)包括發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體，氣缸蓋，燃燒室和活塞。所述氣缸蓋附接到所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體。所述燃燒室位于所述氣缸蓋和所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體之間。所述活塞位于所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體內(nèi)，并且包括形成所述燃燒室的一部分的活塞頂。所述活塞頂包括中心軸線，多個(gè)閥套以及活塞碗。所述多個(gè)活塞套在垂直于所述中心軸線的平面上繞所述活塞頂?shù)耐庵懿贾?。所述活塞碗定位在所述閥套的徑向內(nèi)側(cè)。所述活塞碗包括復(fù)合半徑，截頭圓錐形外底板部，環(huán)形外碗部和噴霧靶向特征部。所述復(fù)合半徑包括半徑R1。所述半徑Rl包括距所述活塞的中心軸線徑向距離LI的半徑中心。所述半徑Rl連接至所述閥套并自所述閥套向內(nèi)延伸。所述截頭圓錐形外底板部連接至所述復(fù)合半徑且相對(duì)于垂直于所述中心軸線的平面成角度α I從所述復(fù)合半徑延伸距離L4。所述環(huán)形外碗部包括半徑R5。所述噴霧靶向特征部定位于所述環(huán)形外碗部和所述截頭圓錐形外底板部之間，并且包括半徑R3，該半徑R3的半徑中心位于距所述閥套軸向距離Η3處。
[0008]本公開還提供了一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體，氣缸蓋，燃燒室和活塞。所述氣缸蓋連接到所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體。所述燃燒室定位于所述氣缸蓋和所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體之間。所述活塞位于所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體內(nèi)，并且其包括形成所述燃燒室的一部分的活塞頂。所述活塞頂包括中心軸線，多個(gè)閥套以及活塞碗。所述多個(gè)閥套在垂直于所述中心軸線的平面中繞所述活塞頂?shù)耐庵懿贾谩Ｋ龌钊攵ㄎ辉谒鲩y套的徑向內(nèi)側(cè)。所述活塞碗包括復(fù)合半徑，截頭圓錐形外底板部，環(huán)形外碗部和噴霧靶向特征部。所述復(fù)合半徑包括半徑R1。所述半徑Rl包括距所述中心軸線徑向距離LI的半徑中心。所述半徑Rl連接至所述閥套并自所述閥套徑向向內(nèi)延伸。所述截頭圓錐形外底板部連接至所述復(fù)合半徑且相對(duì)于垂直于所述中心軸線的平面成角度α I從所述復(fù)合半徑延伸距離L4。所述噴霧靶向特征部位于所述環(huán)形外碗部和所述截頭圓錐形外底板部之間，且其包括半徑R3，該半徑R3的半徑中心位于距端面軸向距離Η3處。比值L4 / R3在0.2至3.0的范圍內(nèi)，并且比值Η3 / LI在0.15至0.3的范圍內(nèi)。
[0009]本公開還提供了一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體，氣缸蓋，燃燒室和活塞。所述氣缸蓋連接到所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體。所述燃燒室位于所述氣缸蓋和所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體之間。所述活塞位于所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體內(nèi)，并且包括形成所述燃燒室的一部分的活塞頂。所述活塞頂包括中心軸線，多個(gè)閥套以及活塞碗。所述多個(gè)閥套在垂直于所述中心軸線的平面中繞所述活塞頂?shù)耐庵懿贾?。所述活塞碗定位在所述閥套的徑向內(nèi)側(cè)。所述活塞碗包括復(fù)合半徑，截頭圓錐形外底板部，環(huán)形外碗部、噴霧靶向特征部和滑躍特征部。所述復(fù)合半徑連接至所述閥套并自所述閥套徑向向內(nèi)延伸。所述截頭圓錐形外底板部連接至所述復(fù)合半徑且相對(duì)于垂直于所述中心軸線的平面成角度α I從所述復(fù)合半徑延伸。所述環(huán)形外碗部包括半徑R5。所述噴霧靶向特征部定位于所述環(huán)形外碗部和所述截頭圓錐形外底板部之間。所述滑躍特征部定位于所述環(huán)形外碗部和所述中心軸線之間，并且連接到所述環(huán)形外碗部。所述滑躍特征部包括半徑R4，并且比值R4/R5在2.5至5.0之間范圍。
[0010]當(dāng)結(jié)合附圖觀察時(shí)，本公開的實(shí)施例的優(yōu)勢(shì)和特征將從以下示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述中變得更加明顯。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是根據(jù)本公開的示例性實(shí)施例的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室的一部分的剖面圖。
[0012]圖2是圖1的燃燒室的一部分的剖面圖。
[0013]圖3是圖1的活塞的一部分的立體圖。
[0014]圖4是類似于圖2的剖面圖，其示出在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的封閉燃燒階段期間燃燒室中最高溫度的位置。
【具體實(shí)施方式】
[0015]參考圖1，本公開涉及一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其一部分以剖面圖示出并且大體上表示為
10。發(fā)動(dòng)機(jī)10能夠產(chǎn)生排放物，例如NOx和顆粒物，其處于比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的排放物水平更低的水平。如在下文討論的，發(fā)動(dòng)機(jī)10包括各種精確的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而導(dǎo)致獲得用于產(chǎn)生降低的排放物水平的期望的燃燒特性的燃燒過(guò)程。發(fā)動(dòng)機(jī)10的構(gòu)造也提供了在發(fā)動(dòng)機(jī)10的氣缸蓋22處的降低的溫度,從而提高了氣缸蓋22的壽命和可靠性。
[0016]發(fā)動(dòng)機(jī)10包括:發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體或發(fā)動(dòng)機(jī)組14，示出了其一小部分；以及至少一個(gè)燃燒室16。當(dāng)然,發(fā)動(dòng)機(jī)10可包括多個(gè)燃燒室，例如四個(gè)，六個(gè)或八個(gè)，這些燃燒室可以布置為直列構(gòu)型或V構(gòu)型。每個(gè)燃燒室16均形成在氣缸腔18的一個(gè)端部處，該氣缸腔可以直接形成在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體14中。氣缸腔18可適于容納可移除的氣缸套20，其僅在圖1中被部分地顯示。
[0017]發(fā)動(dòng)機(jī)10還包括氣缸蓋22，其附接到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體14上來(lái)封閉氣缸腔18。發(fā)動(dòng)機(jī)10還包括定位成用于在每個(gè)氣缸套20內(nèi)與每個(gè)燃燒室16相關(guān)聯(lián)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞24。盡管僅活塞24的頂部在圖1中被示出，活塞24可以是任何類型的活塞，只要其包括實(shí)現(xiàn)本公開所必需的在下文中確定的特征即可。例如，活塞24可以是鉸接活塞或整體活塞。
[0018]活塞24的上表面或頂面25與氣缸蓋22以及氣缸套20的在氣缸蓋22和活塞24之間延伸的部分協(xié)作以限定燃燒室16。盡管未明確地示出，活塞24通過(guò)連桿連接到發(fā)動(dòng)機(jī)10的曲軸上，從而使得活塞24隨著發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)在氣缸套20內(nèi)沿著直線路徑往復(fù)運(yùn)動(dòng)。圖1示出當(dāng)曲軸定位成將活塞24移動(dòng)到遠(yuǎn)離曲軸的旋轉(zhuǎn)軸線的最遠(yuǎn)位置時(shí)，實(shí)現(xiàn)活塞24位于上止點(diǎn)(TDC)位置。以常規(guī)方式，當(dāng)通過(guò)進(jìn)氣沖程和動(dòng)力沖程前進(jìn)時(shí)，活塞24從TDC位置移動(dòng)到達(dá)下止點(diǎn)(BDC)位置。為了本公開的目的，單詞“向外的”和“向外地”對(duì)應(yīng)于遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的方向，單詞“向內(nèi)的”和“向內(nèi)地”對(duì)應(yīng)于朝著發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸或活塞24的BDC位置的方向。
[0019]本公開的發(fā)動(dòng)機(jī)10可以是四沖程壓縮點(diǎn)火(柴油)發(fā)動(dòng)機(jī)，其采用將燃料直接噴射到每個(gè)燃燒室16中。形成在氣缸蓋22中的進(jìn)氣通道26借助一對(duì)定位于氣缸蓋22中的提升閥28選擇性地將進(jìn)口空氣引導(dǎo)到燃燒室16中，其中僅有一個(gè)提升閥在圖1中被示出。類似地，形成在氣缸蓋22中的排氣通道30借助一對(duì)位于氣缸蓋22中的排氣提升閥32選擇性地從燃燒室16引導(dǎo)排氣，其中僅有一個(gè)排氣提升閥在圖1中被示出。閥30和32的打開和關(guān)閉隨著活塞24的往復(fù)運(yùn)動(dòng)以小心控制的時(shí)序通過(guò)機(jī)械凸輪或液壓致動(dòng)系統(tǒng)(未示出)或其他動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0020]在圖1顯示的最高、TDC位置處，活塞24剛完成其向上壓縮沖程，在該向上壓縮沖程期間，壓縮被允許從進(jìn)氣通道26進(jìn)入壓縮室16的充入空氣，由此將其溫度提升為高于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的點(diǎn)燃溫度。這一位置通常被認(rèn)為是完成活塞24的四個(gè)沖程所需的720度旋轉(zhuǎn)的開始的零位置。進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)10的燃燒室16和其他燃燒室中的充入空氣量可以通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)10的進(jìn)氣歧管(未示出)中提供增壓而增加。該增壓可例如由渦輪增壓器(未示出)提供，該渦輪增壓器由借助發(fā)動(dòng)機(jī)10的排氣供以動(dòng)力的渦輪驅(qū)動(dòng)或可以由發(fā)動(dòng)機(jī)10的曲軸(未示出)驅(qū)動(dòng)。
[0021]發(fā)動(dòng)機(jī)10還包括燃料噴射器34，其牢固地安裝在形成在氣缸蓋22中的噴射器孔36內(nèi)，用于在活塞24接近、位于或遠(yuǎn)離TDC位置移動(dòng)時(shí)，將燃料以非常高的壓力噴射到燃燒室16中。噴射器34包括位于其內(nèi)端處的噴射器噴嘴組件38。噴射器34包括多個(gè)噴射口42，這些噴射口形成在噴嘴組件38的下端中，用來(lái)使高壓燃料以非常高的壓力從噴射器34的噴嘴腔流入到燃燒室16中，從而導(dǎo)致燃料與高溫的壓縮充入空氣在燃燒室16內(nèi)充分混合。應(yīng)該理解的是，噴射器34可以是任何類型的能夠以下文所述的方式將高壓燃料通過(guò)多個(gè)噴射口噴射到燃燒室16中的噴射器。例如，噴射器34可以是封閉噴嘴型噴射器或敞開噴嘴型噴射器。而且，噴射器34可以包括被收納在噴射器主體內(nèi)的機(jī)械致動(dòng)柱塞，其用來(lái)在柱塞組件的前進(jìn)沖程期間產(chǎn)生高壓。另選地，噴射器34可接收來(lái)自上游高壓源(例如包括一個(gè)或多個(gè)高壓泵和/或高壓蓄能器和/或燃料分配器的泵管嘴噴射系統(tǒng))的高壓燃料。噴射器34可包括電子致動(dòng)噴射控制閥，其向噴嘴閥組件供應(yīng)高壓燃料來(lái)打開噴嘴閥元件38，或控制高壓燃料從噴嘴閥腔的排出以在噴嘴閥元件38上產(chǎn)生壓力失衡。所述壓力失衡由此導(dǎo)致噴嘴閥元件38打開和關(guān)閉從而形成噴射事件。例如，噴嘴閥元件38可以是由燃料壓力致動(dòng)的傳統(tǒng)的彈簧偏壓封閉噴嘴閥元件，例如在美國(guó)專利N0.5，326，034中所公開的，該美國(guó)申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)弓丨用并入。噴射器34可以呈美國(guó)專利N0.5，819，704中公開的噴射器的形式，該美國(guó)申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容由此以引用方式并入。
[0022]本公開的發(fā)動(dòng)機(jī)包括燃燒室部分和特征部，它們的尺寸，形狀和/或相對(duì)于彼此的位置確定成，如下文所描述的，有利地將燃料噴霧羽流沿著活塞24的頂面25朝著氣缸套20引導(dǎo)，并且向下引導(dǎo)到活塞24的活塞碗部分。這種結(jié)構(gòu)保持了燃燒燃料噴霧羽流的最熱部分遠(yuǎn)離氣缸蓋22，因此降低了在燃燒過(guò)程期間氣缸蓋22的溫度。前述的部件和特征部同樣促進(jìn)了擴(kuò)散火焰與燃燒室16中可利用的氧氣的有效混合，產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)排放物低于滿足環(huán)境保護(hù)局(EPA)排放規(guī)則所需的發(fā)動(dòng)機(jī)排放指標(biāo)。此外，制動(dòng)比氮氧化物(BSNOx)有利地降低。
[0023]為了了解燃燒室16的獨(dú)特的物理特征，以及更具體地活塞24的頂面25的特征，注意圖1至圖3，這些圖示出了用于實(shí)現(xiàn)本公開的想不到的排放和溫度下降優(yōu)點(diǎn)的各種物理特征或參數(shù)。如將在下文詳細(xì)地說(shuō)明的，物理特征和參數(shù)的組合可導(dǎo)致不同類型的優(yōu)點(diǎn)。特定的構(gòu)造，并且更加重要的，下述中所描述的關(guān)鍵尺寸和尺寸關(guān)系導(dǎo)致了本公開的改善的功能性能。
[0024]更具體地，活塞24的上部分可稱為活塞頂48。活塞24的該部分包括:懸垂的圓柱形壁46，其包括多個(gè)外周開口 ；用來(lái)接收相應(yīng)的活塞環(huán)或密封件52的環(huán)形槽50，這些活塞環(huán)或密封件設(shè)計(jì)用于在氣缸套20的周圍壁和活塞24之間形成相對(duì)緊密的燃燒氣體密封?；钊?8包括部分形成燃燒室16的頂面25，和由向外開口空腔形成的活塞碗56?；钊?6包括凸出部58,其優(yōu)選地定位于或接近活塞碗56的中心。凸出部58包括定位于活塞碗56的中心處并且因此沿著活塞24的往復(fù)軸線定位的遠(yuǎn)端60。遠(yuǎn)端60定位于距離閥套69的內(nèi)表面深度H5處。深度H5優(yōu)選地在3毫米到6毫米的范圍內(nèi)。凸出部58還包括平的、截頭圓錐形的內(nèi)底板部62。該底板部62以在21度至25度的范圍內(nèi)的內(nèi)底板角度α2從凸出部58朝著活塞24的BDC位置或發(fā)動(dòng)機(jī)10的曲軸(未示出)軸向向內(nèi)延伸，并且優(yōu)選地以23度的角度α 2從垂直于活塞24的往復(fù)軸線的平面延伸，如圖1中所示。內(nèi)底板部62還從凸出部58徑向向外延伸或從活塞24的中心軸線徑向向外延伸。
[0025]活塞碗56包括具有半徑R5的向內(nèi)延伸的環(huán)形外碗部64。在底板部62和外碗部64之間，并且在底板部和外碗部的環(huán)形界面處定位有環(huán)形滑躍特征部66，該環(huán)形滑躍特征部包括與底板部62和外碗部64相切的半徑R4?；钊?4的頂面25還包括最上表面部68，其大致垂直于活塞24的往復(fù)軸線并且環(huán)繞活塞24的外周延伸。并且多個(gè)閥套69位于活塞24的頂面25中。每個(gè)閥套69均從定位于活塞24的圓柱形壁46和頂面25接合部處的外周邊緣70向內(nèi)延伸。多個(gè)閥套69將最上表面部68分成多個(gè)凸起的島部或平臺(tái)。滾邊82位于每個(gè)閥套69的外周周圍，該滾邊包括這樣的半徑，其是閥套69和活塞碗56之間的過(guò)渡區(qū)中的半徑R1。復(fù)合半徑72位于閥套69和外碗部64之間，其包括半徑Rl和具有半徑R2的上彎唇部73。半徑Rl具有位于距活塞24的中心徑向距離LI處且位于向內(nèi)距閥套69的內(nèi)表面縱向或軸向距離Η2處的中心74，其中Η2等于半徑Rl。半徑R2與半徑Rl相切且與活塞碗56的環(huán)形外底板部78相切地延伸，從而將外底板部78接合到復(fù)合半徑72。外底板部78是平的、截頭圓錐形部分，其相對(duì)于與活塞24的往復(fù)軸線垂直的平面成角度α I朝著活塞24的中心軸線徑向向內(nèi)延伸。外底板部具有長(zhǎng)度L4。環(huán)形噴霧靶向唇部或特征部80以位于距活塞套69向內(nèi)深度Η3處的半徑R3為特征。半徑R3與外底板部78相切。為了防止活塞碗56中的底切，截頭圓錐部分76可在外活塞碗64和半徑R3之間延伸。
[0026]在示例性實(shí)施例中在上文所描述的各種特征彼此以一定關(guān)系定位。在從閥套69的平面的軸向方向上，半徑R4的中心最向內(nèi)或軸向遠(yuǎn)離閥套69的平面。半徑R3的中心位于半徑R4的中心和閥套69的平面之間。半徑R5的中心軸向地位于半徑R3的中心和半徑R4的中心之間。半徑Rl的中心比半徑R2的中心距閥套69的平面軸向更遠(yuǎn)。半徑R3的中心和半徑Rl的中心的軸向位置意味著軸向距離H3大于軸向距離H2。在該示例性實(shí)施例中，軸向距離H5處于軸向距離H2和H3之間，但在其他實(shí)施例中，軸向距離H5可能小于距離H2。
[0027]在從活塞24的中心軸線的徑向方向上，半徑R5的中心定位于活塞24的中心軸線和半徑Rl的中心之間。半徑R4的中心徑向地定位于活塞24的中心軸線和半徑R5的中心之間。半徑R3的中心徑向地位于半徑R5的中心和半徑Rl的中心之間。半徑R2的中心徑向地位于半徑R3的中心和半徑Rl的中心之間。
[0028]從以上描述應(yīng)該顯而易見的是，活塞碗56從閥套69的表面徑向向內(nèi)的特征部與活塞24的中心軸線同心,該中心軸線也是活塞碗56的中心軸線。這些特征部也可被描述為繞活塞24的中心軸線成環(huán)形。由于活塞碗56的從閥套69的表面向內(nèi)的特征部的環(huán)形特性，活塞碗56在該活塞碗56的所有位置處關(guān)于活塞24的中心軸線對(duì)稱，這些位置從閥套69的表面軸向向內(nèi)。此外，活塞24包括定位于活塞頂48中的四個(gè)閥套69，這四個(gè)閥套69關(guān)于活塞頂48的頂部均勻隔開。因此，活塞頂48關(guān)于任何軸平面對(duì)稱，這些軸平面包括活塞24的中心軸線。
[0029]這種結(jié)構(gòu)的好處在于，在燃燒室16內(nèi)引導(dǎo)和燃燒來(lái)自燃料噴射器34的燃料羽流。更具體地，外底板部78的結(jié)構(gòu)和復(fù)合半徑72的半徑Rl使得被傳遞到氣缸蓋22的熱量降低。此外，滑躍部66，外碗部64的半徑R4、R5，噴霧靶向唇部或特征部80，和復(fù)合半徑72的半徑R2的結(jié)構(gòu)使得煙、干燥顆?；驘熁夷軌虻玫娇刂撇⑶夷軌蚪档腿剂舷?。
[0030]在上文所描述的特征需要符合除前述尺寸和關(guān)系以外的下列尺寸和關(guān)系。如前所述的，每個(gè)活塞套69的邊緣均具有半徑，其中邊緣82接觸最上表面部68，且套69接觸活塞碗56。該半徑在與活塞碗56的接合處為Rl。邊緣82的半徑等于從閥套69到最上表面68的軸向距離。外底板部78具有長(zhǎng)度L4，其相對(duì)于活塞套69的平面以角度α I定位。在示例性實(shí)施例中，長(zhǎng)度L4和半徑R3滿足等式(I)的要求，并且角度α I滿足等式(2)的條件。
[0031]0.2 ≤ L4 / R3 ≤3.0 (等式 I)
[0032]α 1<60 度(等式 2)
[0033]如前所述，滑躍特征部66包括半徑R4并且外碗部64包括半徑R5。半徑R4和半徑R5滿足等式(3)的要求。
[0034]2.5 ≤ R4 / R5 ≤5.0 (等式 3)
[0035]噴霧靶向特征部80包括半徑R3，其中半徑的中心定位于距活塞套表面69深度Η3處。復(fù)合半徑72包括半徑R1，其具有位于距活塞24的軸向或縱向中心的徑向距離LI處的半徑中心。注意的是，徑向距離LI表示活塞碗56的半徑，使得徑向距離LI是活塞碗56寬度的一半。深度Η3和徑向距離LI滿足等式(4)的要求。
[0036]0.15 ≤ Η3 / LI ≤ 0.3 (等式 4)[0037]如從下文的描述將看到的，等式⑴，⑵和(4)結(jié)合以實(shí)現(xiàn)傳遞到氣缸蓋20的熱量的降低，等式(1)，⑶和⑷結(jié)合以控制煙、煙灰或顆?？刂坪腿剂舷幕蛐?。
[0038]現(xiàn)在參考圖4，其示出活塞24朝著發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸在向下或向內(nèi)沖程中移動(dòng)，在上文描述的本公開的益處被示出。來(lái)自燃料噴射器42的燃料羽流沿著路徑84穿過(guò)活塞碗56朝著該活塞碗56中的噴霧靶向特征部80流動(dòng)，從而在燃料羽流與來(lái)自進(jìn)氣閥28的空氣相互作用時(shí)變成擴(kuò)散羽流。噴霧靶向特征部或唇部80的半徑R3導(dǎo)致所述擴(kuò)散羽流在噴霧靶向唇部80處分叉，將所述擴(kuò)散羽流的一部分沿著路徑86弓I導(dǎo)入外碗部64，同時(shí)剩余部分沿著路徑88朝著氣缸蓋22流動(dòng)。當(dāng)擴(kuò)散羽流到達(dá)復(fù)合半徑72時(shí)，復(fù)合半徑72的結(jié)構(gòu)和尺寸導(dǎo)致所述擴(kuò)散羽流再次被分叉，從而沿著路徑90朝著氣缸套20引導(dǎo)所述擴(kuò)散羽流的一部分，同時(shí)所述擴(kuò)散羽流的剩余部分沿著路徑92被引導(dǎo)或被再循環(huán)回到活塞碗56中。具有形成范圍在0.2至3.0之間的比值L4 / R3的長(zhǎng)度L4的外底板部78延緩了擴(kuò)散羽流朝向氣缸蓋22的前進(jìn)，這用來(lái)降低到氣缸蓋22的熱傳遞。降低的熱傳遞因活塞24正在下行沖程中移動(dòng)且位于活塞24和氣缸蓋22之間的氣缸18中的氣體正在膨脹而發(fā)生。因此,擴(kuò)散羽流在氣缸蓋22附近的分叉具有阻止過(guò)量的熱量傳遞到氣缸蓋，同時(shí)使用再循環(huán)區(qū)域中可利用的氧氣來(lái)改善擴(kuò)散羽流中燃料的燃燒的優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合半徑72的翻轉(zhuǎn)半徑或特征部Rl以及活塞套69的向前邊緣82有助于保證擴(kuò)散羽流順暢地翻轉(zhuǎn)到活塞套69和最上表面部68上。在沒有翻轉(zhuǎn)特征部Rl和滾邊82的情況下，擴(kuò)散羽流中的至少一些將與活塞24分離并且朝著氣缸蓋22流動(dòng)，從而導(dǎo)致較高的氣缸蓋溫度。除了前述溫度益處之外，外碗部64的半徑R5和滑躍特征部或唇部66的半徑R4促進(jìn)向上的湍流，以通過(guò)沿著活塞碗56在燃燒室16中集中最高溫度來(lái)燒盡在燃燒室16中的富煙灰區(qū)域94。形成范圍在2.5至5.0之間的比值R5 / R4的半徑R5和半徑R4與由半徑R3和軸向距離H3以及復(fù)合半徑72的距離R2所限定的噴霧靶向特征部80合作，以減少煙、煙灰或顆粒物，以及改善燃料消耗和效率。正如前所述，H3和LI形成范圍在0.15至0.3之間的比值H3 / LI。
[0039]本公開的結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)表明，相比于傳統(tǒng)的活塞設(shè)計(jì)，取決于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，氣缸蓋22中的溫度下降在10至15華氏度的范圍內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)也降低了制動(dòng)比NOx(BSNOx) 14%至17%，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)輸出制動(dòng)比干燥顆粒物質(zhì)11%至17%，同時(shí)增加了制動(dòng)比燃料消耗大約0.8%。然而，干燥顆粒物質(zhì)或煙灰的增加保持在EPA規(guī)定的準(zhǔn)則以內(nèi)，并且可通過(guò)后處理系統(tǒng)進(jìn)一步控制。此外，燃料消耗的少量降低可通過(guò)增加活塞的壓縮比到18:1來(lái)補(bǔ)償，與先前可比設(shè)計(jì)相比，這實(shí)現(xiàn)1.5%降低的燃料消耗，因此增加了燃料消耗。
[0040]雖然已經(jīng)顯示和描述了本公開的各種實(shí)施例，但是可以理解的是，這些實(shí)施方式并不限于此。這些實(shí)施例可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員改變、修改和進(jìn)一步應(yīng)用。因此，這些實(shí)施例不限于前述的和所示的細(xì)節(jié)，而是還包括全部這些變化和修改。
【權(quán)利要求】
1.一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，該內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)包括: 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體； 附接到所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的氣缸蓋； 定位于所述氣缸蓋和所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體之間的燃燒室；以及 位于所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體內(nèi)的活塞，該活塞包括形成所述燃燒室的一部分的活塞頂，所述活塞頂包括中心軸線，在垂直于所述中心軸線的平面中繞所述活塞頂?shù)耐庵懿贾玫亩鄠€(gè)閥套，以及定位在所述閥套的徑向內(nèi)側(cè)的活塞碗，所述活塞碗包括:復(fù)合半徑，該復(fù)合半徑包括半徑R1，該半徑Rl包括距所述中心軸線徑向距離LI的半徑中心，所述半徑Rl連接至所述閥套并自所述閥套向內(nèi)延伸；連接到所述復(fù)合半徑的截頭圓錐形外底板部，該截頭圓錐形外底板部相對(duì)于與所述中心軸線垂直的平面成角度α I從所述復(fù)合半徑延伸距離L4 ;包括半徑R5的環(huán)形外碗部；以及噴霧靶向特征部，該噴霧靶向特征部定位于所述環(huán)形外碗部和所述截頭圓錐形外底板部之間，并且包括半徑R3，該半徑R3的半徑中心位于距所述閥套軸向距離Η3處。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，比值L4/ R3在0.2至3.0的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，比值Η3/ LI在0.15至0.3的范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求3所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，αI小于60度。
5.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，比值Η3/ LI在0.15至0.3的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求5所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī),其中，αI小于60度。
7.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，αI小于60度。
8.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，所述活塞碗還包括滑躍特征部，該滑躍特征部定位在所述環(huán)形外碗部的徑向內(nèi)側(cè)，所述滑躍特征部相切地連接到所述環(huán)形外碗部并且包括半徑R4。
9.如權(quán)利要求8所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，比值R4/ R5在2.5至5.0的范圍內(nèi)。
10.如權(quán)利要求9所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，比值L4/ R3在0.2至3.0的范圍內(nèi)。
11.如權(quán)利要求10所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，比值Η3/ LI在0.15至0.3的范圍內(nèi)。
12.如權(quán)利要求11所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，αI小于60度。
13.如權(quán)利要求9所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，比值Η3/ LI在0.15至0.3的范圍內(nèi)。
14.如權(quán)利要求13所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，αI小于60度。
15.如權(quán)利要求9所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，αI小于60度。
16.—種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī),該內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)包括: 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體； 附接到所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的氣缸蓋； 定位于所述氣缸蓋和所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體之間的燃燒室；以及 位于所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體內(nèi)的活塞，該活塞包括形成所述燃燒室的一部分的活塞頂，所述活塞頂包括中心軸線，在垂直于所述中心軸線的平面中繞所述活塞頂?shù)耐庵懿贾玫亩鄠€(gè)閥套，以及定位在所述閥套的徑向內(nèi)側(cè)的活塞碗，所述活塞碗包括:復(fù)合半徑，該復(fù)合半徑包括半徑R1，該半徑Rl包括距所述中心軸線徑向距離LI的半徑中心，所述半徑Rl連接到所述閥套并自所述閥套向內(nèi)延伸；連接到所述復(fù)合半徑的截頭圓錐形外底板部，該截頭圓錐形外底板部相對(duì)于與所述中心軸線垂直的平面成角度α I從所述復(fù)合半徑延伸距離L4 ;環(huán)形外碗部；以及噴霧靶向特征部，該噴霧靶向特征部定位于所述環(huán)形外碗部和所述截頭圓錐形外底板部之間，并且包括半徑R3，該半徑R3的半徑中心位于距端面軸向距離H3處；其中，比值L4 / R3在0.2至3.0的范圍內(nèi)，并且比值H3 / LI在0.15至0.3的范圍內(nèi)。
17.如權(quán)利要求16所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī),其中，αI小于60度。
18.—種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，該內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)包括: 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體； 附接到所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的氣缸蓋； 定位于所述氣缸蓋和所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體之間的燃燒室；以及 位于所述發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體內(nèi)的活塞，該活塞包括形成所述燃燒室的一部分的活塞頂，所述活塞頂包括中心軸線，在垂直于所述中心軸線的平面中繞所述活塞頂?shù)耐庵懿贾玫亩鄠€(gè)閥套，以及定位在所述閥套的徑向內(nèi)側(cè)的活塞碗，所述活塞碗包括:復(fù)合半徑，該復(fù)合半徑連接到所述閥套并自所述閥套向內(nèi)延伸；連接到所述復(fù)合半徑的截頭圓錐形外底板部，所述截頭圓錐形外底板部相對(duì)于與所述中心軸線垂直的平面成角度αI從所述復(fù)合半徑延伸；包括半徑R5的環(huán)形外碗部；定位于所述環(huán)形外碗部和所述截頭圓錐形外底板部之間的噴霧靶向特征部；以及滑躍特征部，該滑躍特征部定位于所述環(huán)形外碗部和所述中心軸線之間，并且連接到所述環(huán)形外碗部，所述滑躍特征部包括半徑R4 ； 其中，比值R4 / R5在2.5至5.0的范圍內(nèi)。
19.如權(quán)利要求18所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，角度αI小于60度。
20.如權(quán)利要求19所述的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，其中，所述截頭圓錐形外底板部以角度αI徑向向外延伸距離L4，所述噴霧靶向特征部具有半徑R3，并且比值L4 / R3在0.2至3.0的范圍內(nèi)。
【文檔編號(hào)】F02F3/28GK203584599SQ201290000367
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2012年3月16日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月17日
【發(fā)明者】R·溫努格帕勒, D·W·斯坦頓, B·蘭加納特, T·蓋耶 申請(qǐng)人:康明斯知識(shí)產(chǎn)權(quán)公司