[发明专利]用于内燃发动机的活塞

说明书

技术领域

本发明涉及一种压燃式（压缩点火式）内燃发动机。更具体地，本发明涉及一种性能改善的活塞。

背景技术

内燃发动机的设计需要细致地平衡低排放与低燃料消耗的相背要求。政府通常限制各种排放物的生成，包括NOx、烟气、烟灰和未燃烧的碳氢化合物。减少NOx排放可通过各种技术来实现。这些技术中的许多都要求降低燃烧温度，进而增加了燃料消耗。

在工业环境中（例如，作业机械）发动机的使用者要求它们在大范围的速度和负荷上运转，同时仍能满足排放要求并实现合理的燃料消耗。特别地，作业机械中所用的高速（高达2500rpm）、中径（缸径在100mm和175mm之间）的压燃式发动机可在高速、高负荷状态和怠速状态之间反复循环。经由这些瞬变过程来满足排放要求需要灵活柔性的燃烧系统。此外，与见于汽车发动机中的轻载运转相比，这些发动机在它们的使用寿命的更长时间内是在易于污染（堵塞）燃料喷射器的条件下运转的。

为了应对这些挑战，设计者们必须利用各种工具来工作以实现满足上述需求的燃烧循环。这些工具包括燃料喷射设备、空气流动控制、和燃烧室的设计。在小径（缸径小于100mm）发动机中，空气系统的几何构型可用于将空气以在燃烧室内产生涡流运动的方式导入到燃烧室中。较小缸径的发动机能以较高的速度（超过2500rpm）运转并且要求燃料与空气更快地混合。空气系统产生涡流运动以增强燃料与空气的混合。带涡流的燃烧室与在1991年3月19日授予Schweinzer等人的美国专利No.5,000,144和1999年4月28日公开的欧洲专利申请No.0911500中所示的全体活塞直径相比往往具有更窄的喉部区域。窄的喉部区域在活塞的顶部和气缸盖之间形成更大的挤压区域。被喷入这些燃烧室中的燃料是要进入环部而不与底部接触的。Schweinzer还示出了允许活塞接近气缸中的上死点位置而不碰到燃料喷射器尖端的凹部。但是，Schweinzer没有讨论凹部中的空气与喷射器性能间的相互影响。

大径（180mm直径或更大）、中速（在900和1500rpm之间）的压燃式发动机往往使用非涡流的（静的，quiescent）或半涡流的开式燃烧室设计。这些设计将空气以绕燃烧室的轴线产生很少的气体涡流运动或不产生气体涡流运动的方式导入到燃烧室中。在这些类型的燃烧室中较高的燃料喷射压力引起运动以促进燃料与空气的混合。另外，较细的液滴尺寸增大了暴露于空气的表面积。这些燃烧室设计还具有较小的可用于向环部提供空气的挤压区域。在2008年10月21日授予Poola等人的美国专利No.7,438,039公开了在大径、中速的柴油机上使用锐角凹入部以改善非涡流的或半涡流的燃烧室中的空气流动。Poola还教导了在燃料喷射器的尖端附近安置凹部。Poola中的凹部通常被认为是辅助将活塞从发动机移除以进行维护保养。同样，Poola未说明凹部中的空气与燃料喷射器尖端间的相互影响。

这些文献都未讨论改善燃料喷射器尖端周围的空气流动的重要性。没有适当的空气流动，发动机的燃烧特性会随其寿命或在特定的条件下改变。例如，喷射器尖端周围的高温会随时间增加对燃料喷射器尖端的污染。这些变化会降低发动机满足低燃料消耗的客户需求和低排放的规定要求两者的能力。

在本申请中公开的当前活塞解决了上述的一个或多个方面，以改善中径、高速的压燃式发动机中的燃烧。

发明内容

在第一方面中，公开了一种用于发动机的活塞，其包括具有外径和内径的顶部，其中内径与外径的比率大于0.65。所述活塞是凹入式设计的凹腔，包括凹入部（再入部，reentrant portion）、环部和底部（floor portion），所述底部导向（通向）围绕所述活塞的中心轴线的凹部。所述底部具有约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。

在另一个方面中，公开了一种用于内燃发动机的活塞，其包括具有外径和内径的顶部，其中内径与外径的比率大于0.65。凹入式的凹腔设计包括凹入部、环部和底部。一凹部由凹部过渡部连接到所述底部。所述凹部具有比凹腔深度小的下凹深度。

在又一个方面中，公开了一种用于内燃发动机的活塞，其具有绕中心轴线安置的顶部。所述顶部的外径为约105mm，内径与外径的比率在约0.65和0.75之间。凹入式的凹腔设计包括凹入部，所述凹入部具有约63至68度的凹入角度。一环部限定最大凹腔深度。一凹部具有约为0.09的凹部直径与所述内径的比率。

这些和其它特征将从下面对优选实施例的说明而变得更清楚。

附图说明