[发明专利]具有燃烧碗形状以平衡燃烧效率和排放性质的活塞

说明书

相关申请的交叉引用

本申请案是2011年4月18日提交的美国专利申请案第13088659号的继续部分，其请求于2010年4月20日提交的美国临时专利申请案第61/326,161号的申请日的权益。

技术领域

本发明总体涉及用于压燃式内燃机中的类型的活塞，并且更具体地涉及一种具有弧形内边缘表面和在弧形内边缘表面与燃烧碗之间的突然过渡的活塞燃烧面。

背景技术

多种操作策略和组件几何结构在内燃机领域是已知的。工程师用了数十年试验不同的方法来操作燃料加注、排气、进气和其他发动机系统，以及不同的方法来设置发动机组件的形状和比例。这种试验背后的一个动机已平衡了减少发动机排气口某些排放的通常的竞争顾虑，以及优化效率。内燃机通常燃烧空气和碳氢化合物燃料。燃料和空气的燃烧产生来自内燃机的排气，其可包括各种化合物和物质，例如烟灰、粉尘、未燃烧的碳氢化合物、水、二氧化碳、一氧化碳和各种其他有机和无机物质。

近年来，减少氮氧化物(统称为“NOx”)的排放和减少一般包括烟灰和粉尘的颗粒物已经成为了内燃机研究的特别关注点。遗憾的是，减少这些不需要的排气成分通常会以降低效率性质(例如燃料效率和/或可达到的发动机速度或功率)为代价。如上所述，发动机的组件形状和操作参数这些年来以几乎无数的方式变化。特别关注的一个领域涉及尝试将活塞燃烧面的成型为使得某种排气排放减少，而不会降低效率。

一种涉及减少排放而不会过分牺牲效率的常见活塞设计包括由活塞的燃烧面限定的燃烧碗，所述燃烧面暴露于且限定发动机燃烧室的一部分。据信，在燃烧过程中，燃烧碗可能影响气体和雾化液体燃料的流动和燃烧性质，使得燃烧产物的组成可针对不同目的进行调整。如上所述，通常期望的是，减少NOx和颗粒物，而不过分影响燃烧效率。

目前，尽管针对活塞燃烧碗进行了大量研究和商业设计，但是在燃烧过程中涉及碗形状或形状组合的燃烧学还未被充分了解。众所周知的是，即使对于燃烧碗几何结构做出的相对小的修改可对燃烧产物的类型和相对比例产生显著影响。由于缺少足够了解，本领域对于如何实现任何特定目标集合提供相对较少指导。工程师已经发现很多不同变量，其知道这些变量将对排放和/或效率产生一些影响，但是这些变量以及其他因素的分组却通常不会产生令人满意且可预测的结果。开发一种合适的设计通常需要数年的研究和开发，包括充分应用、测试和领域分析。

发明内容

在一个方面，提供了一种活塞，其用于在具有15∶1至16∶1的压缩比的直接喷射压燃式内燃机中平衡燃烧效率与NOx产生和烟雾产生，其中所述发动机具有1或小于1的涡旋比，燃烧碗直径与气缸孔直径的比为0.68到0.74，并且其中燃料喷射喷雾角大于由燃烧碗内的活塞的圆锥形突出部限定的锥角。活塞包括活塞体，其具有限定纵向活塞轴线的外圆柱形表面；轴向活塞端，其包括限定复合燃烧碗的燃烧面；以及位于轴向活塞端且从燃烧碗径向向外延伸至外圆柱形表面的复合边缘。复合燃烧碗包括位于圆锥形突出部上的凸状内碗表面和凹状外碗表面，且所述复合边缘包括邻接外圆柱形表面的平坦外边缘表面和邻接复合燃烧碗的凸状内边缘表面。锥角等于约135°或小于135°，凹状外碗表面限定13mm至16mm的第一曲率半径，且凸状内碗表面与凹状外碗表面连续过渡。凸状内边缘表面与凹状外碗表面在复合燃烧碗的边缘处突然过渡，且凸状内边缘表面限定40mm至70mm的第二曲率半径，从而碗边缘从由平坦外边缘表面限定的平面轴向凹陷，使得当活塞处于发动机中的上止点中心位置时，气体从裂缝被挤压，所述裂缝具有向外缩小的锥形且部分地由气缸盖限定且部分由复合边缘限定。

在另一个方面，提供一种活塞，其用于在直接喷射压燃式内燃机中平衡燃烧效率与NOx产生和烟雾产生。活塞包括活塞体，其具有限定纵向活塞轴线的外圆柱形表面；轴向活塞端，其包括限定复合燃烧碗的燃烧面；以及复合边缘，其位于轴向活塞端上且从燃烧碗径向向外延伸至外圆柱形表面。复合燃烧碗包括凸状内碗表面，其位于圆锥形突出部上并限定锥角，以及凹状外碗表面，其从内碗表面径向向外延伸并限定第一曲率半径。复合边缘包括平坦外边缘表面，其邻接外圆柱形表面，以及凸状内边缘表面，其邻接复合燃烧碗并限定第二曲率半径。凸状内碗表面与凹状外碗表面连续过渡，且凸状内边缘表面与凹状外碗表面在复合燃烧碗的边缘处突然过渡。复合燃烧碗限定碗直径，且活塞体限定活塞体直径，其大于碗直径的约33％。锥角为约135°或小于135°，第一曲率半径为13mm至16mm，且第二曲率半径为40mm至70mm。