專利名稱：用于內(nèi)燃發(fā)動機的活塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓燃式(壓縮點火式)內(nèi)燃發(fā)動機。更具體地，本發(fā)明涉及ー種性能改善的活塞。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃發(fā)動機的設(shè)計需要細致地平衡低排放與低燃料消耗的相背要求。政府通常限制各種排放物的生成，包括NOx、煙氣、煙灰和未燃燒的碳氫化合物。減少NOx排放可通過各種技術(shù)來實現(xiàn)。這些技術(shù)中的許多都要求降低燃燒溫度，進而增加了燃料消耗。在エ業(yè)環(huán)境中(例如，作業(yè)機械)發(fā)動機的使用者要求它們在大范圍的速度和負荷上運轉(zhuǎn)，同時仍能滿足排放要求并實現(xiàn)合理的燃料消耗。特別地，作業(yè)機械中所用的高速 (高達2500rpm)、中徑(缸徑在IOOmm和175mm之間)的壓燃式發(fā)動機可在高速、高負荷狀態(tài)和怠速狀態(tài)之間反復(fù)循環(huán)。經(jīng)由這些瞬變過程來滿足排放要求需要靈活柔性的燃燒系統(tǒng)。此外，與見于汽車發(fā)動機中的輕載運轉(zhuǎn)相比，這些發(fā)動機在它們的使用壽命的更長時間內(nèi)是在易于污染(堵塞)燃料噴射器的條件下運轉(zhuǎn)的。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，設(shè)計者們必須利用各種工具來工作以實現(xiàn)滿足上述需求的燃燒循環(huán)。這些工具包括燃料噴射設(shè)備、空氣流動控制、和燃燒室的設(shè)計。在小徑(缸徑小于100mm)發(fā)動機中，空氣系統(tǒng)的幾何構(gòu)型可用于將空氣以在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生渦流運動的方式導(dǎo)入到燃燒室中。較小缸徑的發(fā)動機能以較高的速度(超過2500rpm)運轉(zhuǎn)并且要求燃料與空氣更快地混合?？諝庀到y(tǒng)產(chǎn)生渦流運動以增強燃料與空氣的混合。帶渦流的燃燒室與在1991年3月19日授予Schweinzer等人的美國專利No. 5,000，144和1999年4月28日公開的歐洲專利申請No. 0911500中所示的全體活塞直徑相比往往具有更窄的喉部區(qū)域。窄的喉部區(qū)域在活塞的頂部和氣缸蓋之間形成更大的擠壓區(qū)域。被噴入這些燃燒室中的燃料是要進入環(huán)部而不與底部接觸的。Schweinzer還示出了允許活塞接近氣缸中的上死點位置而不碰到燃料噴射器尖端的凹部。但是，Schweinzer沒有討論凹部中的空氣與噴射器性能間的相互影響。大徑(180mm直徑或更大)、中速(在900和1500rpm之間)的壓燃式發(fā)動機往往使用非渦流的(靜的，quiescent)或半渦流的開式燃燒室設(shè)計。這些設(shè)計將空氣以繞燃燒室的軸線產(chǎn)生很少的氣體渦流運動或不產(chǎn)生氣體渦流運動的方式導(dǎo)入到燃燒室中。在這些類型的燃燒室中較高的燃料噴射壓力引起運動以促進燃料與空氣的混合。另外，較細的液滴尺寸增大了暴露于空氣的表面積。這些燃燒室設(shè)計還具有較小的可用于向環(huán)部提供空氣的擠壓區(qū)域。在2008年10月21日授予Poola等人的美國專利No. 7，438，039公開了在大徑、中速的柴油機上使用銳角凹入部以改善非渦流的或半渦流的燃燒室中的空氣流動。Poola還教導(dǎo)了在燃料噴射器的尖端附近安置凹部。Poola中的凹部通常被認為是輔助將活塞從發(fā)動機移除以進行維護保養(yǎng)。同樣，Poola未說明凹部中的空氣與燃料噴射器尖端間的相互影響。這些文獻都未討論改善燃料噴射器尖端周圍的空氣流動的重要性。沒有適當(dāng)?shù)目諝饬鲃?，發(fā)動機的燃燒特性會隨其壽命或在特定的條件下改變。例如，噴射器尖端周圍的高溫會隨時間增加對燃料噴射器尖端的污染。這些變化會降低發(fā)動機滿足低燃料消耗的客戶需求和低排放的規(guī)定要求兩者的能力。在本申請中公開的當(dāng) 前活塞解決了上述的ー個或多個方面，以改善中徑、高速的壓燃式發(fā)動機中的燃燒。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面中，公開了ー種用于發(fā)動機的活塞，其包括具有外徑和內(nèi)徑的頂部，其中內(nèi)徑與外徑的比率大于O. 65。所述活塞是凹入式設(shè)計的凹腔，包括凹入部(再入部，reentrant portion)、環(huán)部和底部(floor portion),所述底部導(dǎo)向(通向)圍繞所述活塞的中心軸線的凹部。所述底部具有約65至70度的底部角度。所述凹部具有比最大凹腔深度小的下凹深度。在另ー個方面中，公開了ー種用于內(nèi)燃發(fā)動機的活塞，其包括具有外徑和內(nèi)徑的頂部，其中內(nèi)徑與外徑的比率大于0. 65。凹入式的凹腔設(shè)計包括凹入部、環(huán)部和底部。一凹部由凹部過渡部連接到所述底部。所述凹部具有比凹腔深度小的下凹深度。在又ー個方面中，公開了ー種用于內(nèi)燃發(fā)動機的活塞，其具有繞中心軸線安置的頂部。所述頂部的外徑為約105mm，內(nèi)徑與外徑的比率在約0. 65和0. 75之間。凹入式的凹腔設(shè)計包括凹入部，所述凹入部具有約63至68度的凹入角度。ー環(huán)部限定最大凹腔深度。一凹部具有約為0. 09的凹部直徑與所述內(nèi)徑的比率。這些和其它特征將從下面對優(yōu)選實施例的說明而變得更清楚。


圖I示出壓燃式發(fā)動機的局部剖視圖；圖2示出圖I的活塞的剖視圖；圖3示出圖2的活塞的俯視圖；以及圖4示出圖2中的細節(jié)“A”的放大剖視圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將詳細參照具體的實施例或特征，其示例在附圖中示出。一般地，相同或相應(yīng)的附圖標(biāo)記將在各圖中用于指代相同或相應(yīng)的部分。應(yīng)認識到，術(shù)語“上”、“下”、“頂”、“底”、“向上”、“向下”和與方向有關(guān)的其它術(shù)語僅用來便于說明如在圖中所示出的對象，并且不應(yīng)當(dāng)被視為將該說明的范圍限制干與各個這些術(shù)語相關(guān)的方向。所提供的所有尺寸應(yīng)當(dāng)理解為包括與制造エ藝如機加工、鋳造等相關(guān)的常規(guī)公差。如圖I最佳地示出，發(fā)動機10由限定了氣缸30的缸體20構(gòu)成。活塞40以可滑動的方式安置在氣缸中。氣缸30也可由安置在缸體20中的氣缸套(未示出)形成，其中氣缸套限定氣缸30。氣缸蓋50連接到缸體20。氣缸蓋50具有氣缸面向部60。氣缸面向部60、活塞40和氣缸30限定了燃燒室70。燃料噴射器80安置在氣缸蓋50中并且具有尖端部90，尖端部90具有適于將燃料導(dǎo)入燃燒室70中的多個噴ロ(未示出)。氣缸蓋50還限定有至少ー個進氣ロ 100和至少ー個排氣ロ 110。進氣門120在氣缸蓋50中移動以至少部分地閉塞進氣ロ 100。類似地，排氣門130安置在氣缸蓋50中以至少部分地閉塞排氣ロ 110。燃料噴射器80的尖端部90具有噴射角度IA，其中噴射角度IA被限定為活塞中心軸線140與噴口中心軸線150之間的角度。圖2所示的活塞具有環(huán)岸160、裙部170、頂部180和凹腔190。環(huán)岸160具有第一端部200和第二端部210。第二端部包含環(huán)槽220。頂部180鄰近環(huán)岸部160的第二端部210。裙部170與環(huán)岸160的第一端部200鄰接。凹腔190具有由頂部過渡部250、凹入部260、環(huán)部270、底部280和凹部290限定的凹腔體積(容積)Vb。在本實施例中，凹腔體積Vb約為57cc。頂部過渡部250優(yōu)選地為從頂部180過渡到凹入部260的I. 5mm的半徑。但是，對頂部過渡部250也可使用更小的半徑或邊緣。凹入部260是使頂部過渡部250與環(huán)部270連接的部分錐形表面并且與頂部180具有在63和68度之間的凹入角度RA。凹部290是由約9mm的半徑形成的部分球形表面,具有從頂部180算起約9. 4mm的下凹深度295。本實施例中的凹部290具有約O. Icc的體積Vr。所述凹部的體積也可用式子Vr ^ KVb來描述，其中K是約為O. 002的常數(shù)。在圖3中最佳地示出的頂部180是環(huán)狀的并且具有從頂部過渡部與頂部180的相交處測量的內(nèi)徑230。頂部的外徑240是從環(huán)岸160測量的。凹部290具有凹部直徑297，凹部直徑297是在與凹部相切的線垂直于活塞中心軸線的位置測量的。在本實施例中，所述外徑約為105mm。內(nèi)徑230與外徑240的比率在O. 65和O. 75之間。凹部直徑297與內(nèi)徑240的比率約為O. 09。圖4中的底部的較大細節(jié)示出了相對于活塞中心軸線140限定的在65和70度之間的底部角度FA。凹部過渡部300使底部280與凹部290連接。底部過渡部310使底部280與環(huán)部270連接。凹部過渡部300和底部過渡部310兩者都可由3mm或更小的半徑形成。環(huán)部270由半徑320形成并且使底部過渡部310與凹入部260連接。在該實施例中，半徑320約為9mm,而最大凹腔深度330約為16. 8mm。エ業(yè)實用件在工作中，活塞40向下移動，將諸如空氣的氧化劑經(jīng)進氣門120通過進氣ロ 100吸入(進氣沖程)。進氣ロ 100在將燃料導(dǎo)入燃燒室70中的燃料噴射器80工作前的某個時間關(guān)閉。隨著活塞40朝氣缸蓋50移動且進氣ロ 100和排氣ロ 110兩者被各自的進氣門120和排氣門130閉塞，活塞40壓縮包括凹部290在內(nèi)的燃燒室70中的氧化劑(壓縮沖程)?；钊?0最終開始減慢并改變方向而使得活塞40移離氣缸蓋50 (做功沖程)。當(dāng)活塞40接近從壓縮沖程到做功沖程的轉(zhuǎn)變點(也已知為上死點位置)時燃料噴射器80將供給至少ー些燃料。在本實施例中，燃料噴射器80將燃料射流部340朝環(huán)部引導(dǎo)而不與底部280接觸。但是，燃料尾流(fuel plume)部350將氣化并與底部280接觸。與底部280接觸的燃料尾流部350使燃燒過程變慢并降低溫度升高速率，由此減少NOx形成。尾流部350沿底部280移動到環(huán)部270中，在這里底部過渡部310允許來自環(huán)部270的額外空氣進ー步與未燃燒的燃料(未示出)混合。該進ー步的混合增加未燃燒燃料的燃燒并減少煙灰的形成。 類似地，凹入部260的凹入角度RA促進空氣額外地混合到未燃燒的燃料中并促進煙灰的氧化。在壓縮沖程中留在凹部290中的空氣提供了用于與從燃料噴射器80排出的燃料混合的額外空氣。特別地，凹部290通過增加在燃料噴射開始時在尖端部90附近的空氣的運動和體積而降低燃料噴射器80的表面溫度。當(dāng)前的實施例使燃燒溫度降低約100K(180R)并允許燃料噴射正時提前，以便改善燃料消耗、同時仍滿足排放要求。降低燃料在尖端部90附近的燃燒溫度可限制對尖端部90的污染并且可改善噴射器80的工作壽命。盡管已在本文中描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是可引入各種改進和變型而不脫離所附權(quán)利要求的范圍?！?br> 權(quán)利要求
1 所要求保護的是 ·1.ー種用于壓燃式發(fā)動機的活塞，包括 具有外徑和內(nèi)徑的頂部，其中所述內(nèi)徑與所述外徑的比率大于O. 65 ； 與所述頂部連接的凹入部，其中所述凹入部具有約63至68度的凹入角度； 與所述凹入部連接的環(huán)部，所述環(huán)部限定最大凹腔深度； 與所述環(huán)部連接的底部，其中所述底部具有約65至70度的底部角度；和繞所述活塞的中心軸線的凹部，所述凹部與所述底部連接，所述凹部具有下凹深度，其中所述最大凹腔深度大于所述下凹深度。
2.如權(quán)利要求I所述的活塞，其特征在于，所述內(nèi)徑與所述外徑的所述比率小于O.75。
3.如權(quán)利要求I所述的活塞，其特征在于，所述凹部具有由式子Vr^ KVb限定的凹部體積Vr，其中K是約為O. 002的常數(shù)，Vb是活塞凹腔的體積。
4.如權(quán)利要求3所述的活塞，其特征在于，還包括連接在所述底部和所述環(huán)部之間的底部過渡部,其中所述底部過渡部是約3mm的半徑。
5.如權(quán)利要求4所述的活塞，其特征在干，還包括連接在所述頂部和所述凹入部之間的頂部過渡部，其中所述頂部過渡部是約I. 5mm的半徑。
6.如權(quán)利要求I所述的活塞，其特征在于，所述凹部是部分球形表面。
7.如權(quán)利要求I所述的活塞，其特征在于，所述凹部具有凹部直徑，其中所述凹部直徑與所述內(nèi)徑的比率約為O. 09。
8.如權(quán)利要求I所述的活塞，其特征在于，所述底部適于在具有燃料噴射器的發(fā)動機中工作，所述燃料噴射器具有與所述底部接觸的燃料尾流部。
9.ー種用于壓燃式發(fā)動機的活塞，包括 具有外徑和內(nèi)徑的頂部，其中所述內(nèi)徑與所述外徑的比率大于O. 65 ； 與所述頂部連接的凹入部； 與所述凹入部連接的環(huán)部，所述環(huán)部限定最大凹腔深度； 與所述環(huán)部連接的底部，其中所述底部具有65度或更大的底部角度； 與所述底部連接的凹部過渡部；和 繞所述活塞的中心軸線的凹部，所述凹部與所述凹部過渡部連接，所述凹部具有下凹深度，其中所述最大凹腔深度大于所述下凹深度。
10.如權(quán)利要求9所述的活塞，其特征在于，所述底部角度為70度或更小。
11.如權(quán)利要求10所述的活塞，其特征在于，所述凹部是部分球形表面。
12.如權(quán)利要求11所述的活塞，其特征在于，所述凹部具有凹部直徑，其中所述凹部直徑與所述內(nèi)徑的比率約為O. 09。
13.如權(quán)利要求9所述的活塞，其特征在于，所述底部適于在具有燃料噴射器的發(fā)動機中工作，所述燃料噴射器具有比所述底部角度大的噴射角度。
14.如權(quán)利要求9所述的活塞，其特征在于，所述凹入角度為約63至68度。
15.如權(quán)利要求9所述的活塞，其特征在于，還包括具有約為105_的外徑的頂部。
16.如權(quán)利要求15所述的活塞，其特征在于，所述最大凹腔深度約為16.8mm。
17.如權(quán)利要求16所述的活塞，其特征在于，所述下凹深度約為9.5mm。
18.一種用于中徑的壓燃式發(fā)動機的活塞，包括中心軸線； 繞所述中心軸線安置的頂部，所述頂部具有約105mm的外徑和一內(nèi)徑，其中所述內(nèi)徑與所述外徑的比率在約O. 65和O. 75之間； 與所述頂部連接的凹入部，其中所述凹入部具有約63至68度的凹入角度； 與所述凹入部連接的環(huán)部，所述環(huán)部限定最大凹腔深度； 與所述環(huán)部連接的底部，其中所述底部具有約65至70度的底部角度；和繞所述活塞的中心軸線的凹部，所述凹部與所述底·部連接，所述凹部具有下凹深度，其中所述最大凹腔深度大于所述下凹深度，所述凹部是部分球形表面，凹部直徑與所述內(nèi)徑的比率約為O. 09。
19.如權(quán)利要求18所述的用于中徑的壓燃式發(fā)動機的活塞，其特征在于，所述凹部具有由式子Vr SKVb限定的凹部體積Vr，其中K是約為O. 002的常數(shù)，Vb是活塞凹腔的體積。
全文摘要
一種用于壓燃式內(nèi)燃發(fā)動機的活塞包括頂部、環(huán)部和凹入部。所述活塞還具有繞所述活塞的中心軸線的凹部，所述凹部設(shè)計成降低燃料噴射器的尖端部附近的溫度。
文檔編號F02F3/28GK102686863SQ201080058648
公開日2012年9月19日 申請日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月22日
發(fā)明者J·S·奧克斯博羅, M·帕西, T·麥凱 申請人:珀金斯發(fā)動機有限公司