[发明专利]具有成型用于平衡燃烧效率和排放性能的燃烧碗的活塞

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种用于压缩点火内燃机中的活塞，更特别是涉及一种活塞燃烧面，其具有圆角的内边缘面和在圆角内边缘面与燃烧碗之间的突兀过渡段。

背景技术

在内燃机领域，已知运行方案和部件的几何形状形形色色、多种多样。过去的几十年内，工程师们已经试验了用于操作燃料、排气、吸入、和其它发动机系统的不同方式，以及用不同的方式设计发动机部件的形状和比例。这些实验的一个目地是为了平衡通常互相制约的方面，即减少发动机废气中一些排放物的含量和效率最优化。内燃机通常燃烧空气和碳氢燃料。燃烧燃料和空气所产生的从内燃机中排放出的废气可包括不同的化合物和物质，如煤烟、灰、未燃烧的碳氢化合物、水、二氧化碳、一氧化碳、和多种其它的有机和无机物。

近几年来，内燃机研究的热点一直集中在减少排放氮氧化物(以下统称“NOx”)的排放和减少通常包括煤烟和灰在内的颗粒物质的排放。差强人意的是，减少不期望的排放物成分常常也影响效率性能(例如燃料效率)和/或可达到的发动机速度或功率。如上所述，多年来，发动机的部件形状和运行参数的变化几乎层出不穷。在热点领域中，试图将活塞燃烧面成型为在不损害效率的同时减少废气排放物。

为了减少排放物而不过度损害效率，一种常见的活塞设计包括由活塞燃烧面限定的燃烧碗，所述活塞燃烧面是露出的且限定发动机燃烧室的一部分。确定的是，在燃烧过程中，燃烧碗可影响雾化液体燃料和气体的流动及燃烧性能，使燃烧产物的组成可满足不同的目地。如上所提及的，通常情况下都期望减少NOx和颗粒物质而不过度影响燃烧效率。

目前，尽管对于活塞燃烧碗不胜枚举的研究和商业设计在不断地发展，在燃烧过程中涉及碗形或形状组合的燃烧学仍未彻底了解。众所周知，对燃烧碗几何形状微小的改变也可能对燃烧产物的种类和相对比例有显著的影响效果。由于缺乏充分的了解，对于如何实现具体目标，在本领域中几乎没有启示。工程师们发现许多不同的变量会对排放物和/或效率产生影响，但是这些变量和其它因素的组合常常不能产生满意的可预期的结果。满意的设计常常需要多年的研究和发展，包括深入应用，试验和现场分析。

发明内容

一方面，用于压缩点火内燃机的活塞包括具有限定纵向活塞轴的外圆柱面的活塞体。所述活塞体还包括第一轴向活塞端，和具有限定燃烧碗的燃烧面的第二轴向活塞端。燃烧面包括具有内碗面和外碗面的复合碗表面，及复合边缘面，所述复合边缘面具有与外圆柱面接合的外边缘面和与复合碗表面接合的内边缘面。燃烧面还包括具有围绕纵轴的旋转轮廓的横截面轮廓，所述旋转轮廓成型为，用于平衡活塞燃烧效率性能和活塞的产生NOx的性能及产生烟雾的性能。旋转轮廓包括复合碗轮廓，其限定与内碗面对应并被纵轴平分的凸出曲线段，还限定凸出曲线段外侧并与外碗面对应的多个凹入曲线段。凸出曲线段限定较小曲率半径，凹入曲线段分别限定中等曲率半径。旋转轮廓还包括复合边缘轮廓，其限定与外边缘面对应的多个线性曲线段，还限定与内边缘面对应并分别与线性曲线段之一接合的多个凸出曲线段。所述多个凸出曲线段分别限定较大的曲率半径。燃烧面还包括从内碗面到外碗面的第一连续过渡段，从内边缘面到外边缘面的第二连续过渡段，和从复合碗表面到复合边缘面的突兀过渡段。

另一方面，设有用于在压缩比为15∶1到17∶1的直接注射压缩点火内燃机中平衡燃烧效率和NOx的产生及烟雾的产生的活塞，其中发动机的涡流比等于或小于1，燃烧碗的直径与气缸孔的直径的比率在0.68到0.74之间，且其中燃料注射喷射角度大于由燃烧碗内的活塞的锥状突起所限定的锥角。活塞包括活塞体，所述活塞体具有限定纵向活塞轴的外圆柱面、包括限定复合燃烧碗的燃烧面的轴向活塞端和设置在轴向活塞端并从燃烧碗到外圆柱面径向向外延伸的复合边缘。复合燃烧碗包括设置在锥状突起上的凸出内碗面，和凹入外碗面，并且，复合边缘包括与外圆柱面接合的平坦外边缘面和与复合燃烧碗接合的凸出内边缘面。锥角等于约135°或更小，凹入外碗面限定在7mm到20mm之间的第一曲率半径，凸出内碗面连续地过渡到凹入外碗面。在复合燃烧碗的边缘，凸出内边缘面突兀地过渡到凹入外碗面，且凸出内边缘面限定在40mm到70mm之间的第二曲率半径，因此，碗边缘从由平坦外边缘面限定的平面轴向地凹入，从而，当活塞在发动机的上止点位置时，气体从细缝中挤出，所述细缝具有向外逐渐变窄的锥状，且部分由气缸头限定、部分由复合边缘限定。