[发明专利]具前碗的压缩点火发动机活塞及使用其的发动机运行策略

说明书

一种直喷式压缩点火内燃机包括发动机壳体，其具有汽缸以及在汽缸内可移动的活塞，该活塞包括形成燃烧碗的活塞端面。活塞端面具有环形活塞缘，该环形活塞缘具有圆形内缘表面，该圆形内缘表面从平面外缘表面径向向内且轴向向下延伸至燃烧碗边缘。前碗由圆形内缘表面限定，并且前碗体积为燃烧碗和前碗总体积的约0.8％或更大。前碗的配置和尺寸属性与运行过程中减少烟产生有关，特别是对于低至中负荷瞬态。

技术领域

本发明总体上涉及一种用于压缩点火内燃机的活塞，并且更具体地涉及一种具有燃烧碗和前碗的活塞，所述活塞和前碗被构造成用于响应于瞬态负荷波动而减少烟的产生。

背景技术

在内燃机领域中已知许多不同的运行策略和部件设计。数十年来，关于改变加油、废气再循环或EGR、涡轮增压、可变气阀致动、可变几何涡轮机、废气门的使用以及许多其他因素以产生不同结果的方式，研究和开发已经取得了进展。除了改变这些和其他运行参数外，大量的研究和性能测试工作都围绕着不同的方式来进行，以使发动机部件(近年来尤其是活塞)的改变形状和比例以达到一定的预期结果。推动燃烧科学发展的一种动力是希望减少和/或平衡某些排放物和发动机排气的相对量，包括颗粒物，例如烟灰和氮或NOx的氧化物。改善或优化发动机性能，提高燃油效率以及管理零部件的磨损和/或疲劳也是重要的目标。

近年来，压缩点火柴油机已经越来越多地用于发电，作为一个或多个独立单元连接到隔离的本地电网，或者在区域电网中断的情况下作为备用电源提供。基于管辖权要求、客户要求或其他原因，与其他应用程序(例如，近海石油和天然气用途或船舶推进)相比，发电应用程序对发动机的排放降低和效率提出了更高的要求。数十年的燃烧科学、材料和机械工程研究表明，排放和效率等因素可能会因部件设计或运行参数的细微变化而受到显着影响，而且往往是不可预测的。因此，为一种应用程序专门的设计和策略可能会表明其不太适合其他应用程序。Easley等人的美国专利第8,978,621号涉及具有成形为平衡燃烧效率和排放特性的燃烧碗的活塞。Easley公开提出了一种具有复合燃烧碗和复合缘的活塞，在复合燃烧碗和复合缘之间具有突然的过渡。据称这些功能可合意地影响排放物，例如颗粒物和NOx，而不会过分牺牲燃油效率。

发明内容

在一个方面，一种运行压缩点火内燃机的方法包括将内燃机的汽缸内的活塞移向上止点位置，以使汽缸内的压力在第一发动机循环中增加到自燃阈值。该方法还包括在第一发动机循环中将液体燃料的第一次装料的喷雾羽流喷射到汽缸中，以使第一次装料的喷雾羽流进入燃烧碗，所述燃烧碗形成在活塞中且具有汽缸的汽缸孔径的约75％或更大的碗直径。该方法还包括至少主要在燃烧碗中燃烧液体燃料的第一次装料。该方法还包括以下步骤：将汽缸内的活塞朝上止点位置移动，以使汽缸内的压力在第二发动机循环中增加到自燃阈值；以及在第二发动机循环中将比第一次装料大的液体燃料的第二次装料的喷雾羽流喷射到汽缸中，以使第二次装料的喷雾羽流进入燃烧碗。该方法还包括通过汽缸推进第二次装料的喷雾羽流，以使第二次装料的喷雾羽流的尾部中未燃烧的液体燃料进入由活塞的圆形内缘表面限定的前碗，其具有碗直径的约40％至约55％的曲率半径，且前碗体积为燃烧碗和前碗总体积的约0.8％或更大，并在燃烧碗内和前碗内燃烧液体燃料的第二次装料。