[发明专利]内燃机的活塞、活塞顶及操作内燃机的方法

说明书

一种用于内燃机的活塞包括内部形成有燃烧碗的活塞顶、围绕燃烧碗周向延伸的活塞边缘，以及在燃烧碗与活塞边缘之间的散热倒角。该倒角通过到油道的尺寸、角度或材料厚度中的至少一个被构造成平衡散热与燃烧特性。公开了相关的方法。

技术领域

本发明总体涉及内燃机的活塞，更具体地涉及活塞体，其具有邻接燃烧碗和活塞边缘的倒角，并构造成平衡活塞的散热与燃烧特性。

背景技术

在内燃机领域，已知有许多不同的操作策略和部件设计。在可以改变诸如加燃料、废气再循环、涡轮增压和可变气门致动等因素以产生不同的结果的方式相关方面，已经进行了数十年的研究和开发。除了这些和其它操作参数的变化之外，还在不同的方式方面进行了大量的研究和测试工作，诸如活塞的发动机部件可以成形和成比例，并且由各种材料形成。推动燃烧科学和相关研究进展的一个动机是希望减少发动机排气中某些排放物的相对数量，例如颗粒物质和氮氧化物或NOx。其它动机涉及改善或优化发动机性能、降低燃料消耗、限制部件磨损和/或疲劳、以及其它方面。

为了适应各种不同的发动机操作和占空比模式，所做的努力已经产生了许多发动机操作策略和组件设计，这些可以在现有技术中看到。对于经受相对恶劣的工作条件(比如高温和频繁的温度波动)的某些发动机，特别有兴趣研发的一个领域包括活塞几何形状和材料。其它研究工作一直致力于制备非常适合相对极端机械胁迫条件的活塞。数十年的燃烧科学、材料和机械工程研究大致表明，活塞形状和特征方面看似微小的变化都可能会明显地且通常不可预知地影响排放和效率等因素。伊斯利等人共同拥有的美国专利号8,978,621(“伊斯利”)涉及具有燃烧碗的活塞，以平衡燃烧效率和排放特性。伊斯利专利提出了具有复合燃烧碗和复合边缘的活塞，复合燃烧碗和复合边缘之间突然过渡，这些特征一起希望影响诸如颗粒物质和NOx的排放，而不会过度地牺牲燃料效率。

发明内容

一方面，操作内燃机的方法包括将内燃机内的气缸中的活塞朝向上止点位置移动，使得气缸中的压力升高至达到或高于自燃压力，并直接将燃料喷射进气缸。该方法进一步包括当气缸中的压力达到或高于自燃压力时，使燃料和空气的混合物自燃，以及通过自燃混合物的燃烧对形成活塞端面的材料进行加热。端面形成燃烧碗、围绕活塞纵向轴线周向延伸并且具有朝向燃烧碗倾斜的弯曲轮廓的环形活塞边缘、以及在燃烧碗和环形活塞边缘之间轴向和径向延伸的散热倒角。该方法进一步包括将形成端面的材料的热量散发到通过活塞内的油道输送的油。

另一方面，内燃机的活塞包括：活塞体，其被构造成在内燃机内的气缸中往复运动，以将气缸中的压力增加到自燃压力，以使燃料和空气的混合物自燃。活塞体限定了纵向轴线，其在第一轴向活塞主体端部(其包括在其内形成有燃烧碗的活塞端面和围绕燃烧碗周向延伸的环形活塞边缘)和第二轴向活塞主体端部(其包括活塞裙部和形成在活塞裙部内的活塞销)之间延伸。燃烧碗包括径向向外并轴向向下过渡到燃烧碗底板的凸起中心部分，以及从燃烧碗底板径向向外和轴向向上过渡到燃烧碗外边缘的凹形外部部分。环形活塞边缘包括弯曲轮廓，并朝向燃烧碗径向向内和轴向向下倾斜。活塞体进一步具有形成在其内的油道，以及围绕纵向轴线周向延伸且在燃烧碗外边缘和环形活塞边缘之间轴向和径向延伸的倒角。倒角尺寸、倒角朝向或倒角和油道之间的活塞体材料的厚度中的至少一个被构造成使得活塞的油道中的油的散热与燃烧特性平衡。

又一方面，活塞顶包括活塞体顶部件，其被构造成与活塞体裙部件联接，以形成在其内具有油道并能够在内燃机内的气缸中往复运动的一体式活塞体，以将气缸内的压力增加至自燃压力，以使燃料和空气的混合物自燃。活塞体顶部件限定了纵向轴线，并且包括在其内形成有燃烧碗的活塞端面和围绕燃烧碗周向延伸的环形活塞边缘。燃烧碗包括径向向外并轴向向下过渡到燃烧碗底板的凸起中心部分，以及从燃烧碗底板径向向外并轴向向上过渡到燃烧碗外边缘的凹形外部部分。环形活塞边缘包括弯曲轮廓，并朝向燃烧碗径向向内并轴向向下倾斜。活塞体顶部件进一步包括围绕纵向轴线周向延伸、且在燃烧碗外边缘和环形活塞边缘之间轴向和径向延伸的倒角。倒角尺寸、倒角朝向或形成倒角的活塞体顶部件的材料的厚度中的至少一个被构造成平衡活塞的油道中的油的散热和燃烧特性。

附图说明