内燃机和具有带有非轴对称轮廓的台阶式燃烧凹腔的活塞的制作方法

1.本发明总体上涉及一种用于内燃机的活塞，并且更具体地涉及一种具有用于限制燃烧燃料的喷射射流之间的相互作用的燃烧面几何形状的活塞。


背景技术：

2.多年来，工程和燃烧科学研究致力于理解诸如燃料供给、涡轮增压、可变气门致动、排气再循环(egr)等因素与排放和效率之间的关系。除了诸如这些可以被主动控制的发动机运行特性之外，尤其是在最近几年，研究和测试的努力已经集中在不同的方式，其中发动机部件(特别是活塞)可以被成形和成比例以实现不同的燃烧结果。燃烧科学中的一个动力驱动进步在于期望减少和/或平衡发动机排气中的特定排放物的相对量，包括诸如烟炱和氮氧化物或nox的颗粒物质，而不会不适当地影响其他参数，例如燃料效率和性能。现在充分理解的是，诸如效率和排放的因素可能受到部件设计或运行参数的似乎微小变化的显著影响，并且影响通常是不可预测的。为一个应用目的构建的设计和策略可能不太适合于其他应用。授予easley等人的美国专利号8,978,621涉及一种具有燃烧凹腔的活塞，该燃烧凹腔成形为平衡燃烧效率和排放特性。easley提出的活塞具有在不过度牺牲燃料效率的情况下一起理想地影响排放物诸如颗粒物质和nox的特征。


技术实现要素：

3.在一个方面，一种用于内燃机的活塞包括活塞顶，该活塞顶限定了在第一活塞轴向端于具有燃烧面的第二活塞轴向端之间延伸的活塞中心轴线。燃烧面形成具有中心锥体和凹腔周缘的燃烧凹腔、具有边缘内周缘和边缘外周缘的圆周边缘，以及具有与凹腔周缘过渡的第一台阶表面和与边缘周缘过渡的第二台阶表面的台阶。燃烧面具有围绕活塞中心轴线的旋转轮廓，该旋转轮廓被改变以在围绕活塞中心轴线的间隔开的角定向上形成射流间相互作用限制器。射流间相互作用限制器各自包括凹腔部件，该凹腔部件在燃烧凹腔内突出以限制在径向向外行进穿过该燃烧凹腔的燃烧燃料的相邻喷射射流之间的相互作用。射流间相互作用限制器各自进一步包括台阶部件，该台阶部件在该台阶内突出以在燃烧燃料一旦从燃烧凹腔行进到台阶中并且在方位角上展开时，限制燃烧燃料的相邻喷射射流之间的相互作用。
4.在另一个方面，一种内燃机系统包括发动机壳体和燃料喷射器，该发动机壳体具有形成在其中的燃烧气缸，该燃料喷射器支撑在发动机壳体中并且具有形成在其中的多个喷孔，每个喷孔限定喷射射流路径。内燃机系统进一步包括位于燃烧气缸内并具有活塞顶的活塞，该活塞顶限定了在第一活塞轴向端与具有燃烧面的第二活塞轴向端之间延伸的活塞中心轴线。燃烧面形成具有中心锥体和凹腔周缘的燃烧凹腔、具有边缘内周缘和边缘外周缘的圆周边缘，以及具有与凹腔周缘过渡的第一台阶表面和与边缘内周缘过渡的第二台阶表面的台阶。燃烧面具有围绕活塞中心轴线的旋转轮廓，该旋转轮廓被改变以形成射流间相互作用限制器。射流间相互作用限制器被安排在偏离喷射射流路径的位置处，并且各
自包括在燃烧凹腔内突出的凹腔部件以及在台阶内突出的台阶部件，以限制从该多个喷孔喷射的燃烧燃料的相邻喷射射流之间的相互作用。
5.在另一个方面，一种用于内燃机中的活塞的活塞顶包括：活塞顶本体，该活塞顶本体具有活塞外表面，该活塞外表面具有顶台并围绕活塞中心轴线周向延伸；冷却通道表面，该冷却通道表面形成在活塞顶本体的第一轴向侧上；以及燃烧面，该燃烧面形成在活塞顶本体的第二轴向侧上。燃烧面形成具有中心锥体和凹腔周缘的燃烧凹腔、径向向外延伸至活塞外表面的圆周边缘，以及在燃烧凹腔与圆周边缘之间过渡的台阶。燃烧面具有围绕活塞中心轴线的旋转轮廓，该旋转轮廓被改变以在围绕活塞中心轴线的间隔开的角定向上形成射流间相互作用限制器。射流间相互作用限制器各自包括在燃烧凹腔内突出的凹腔部件和在台阶内突出的台阶部件，以限制位于燃烧凹腔和台阶内的燃烧燃料的相邻喷射射流之间的相互作用。
附图说明
6.图1是根据一个实施例的内燃机系统的部分截面侧视图解视图；
7.图2是根据一个实施例的活塞的活塞顶的图解视图；
8.图3是图2的活塞顶的另一图解视图；
9.图4是图2和图3的活塞顶的一部分的截面图解视图；
10.图5是活塞的顶视图，其示出了燃烧燃料在一个燃烧阶段的喷射射流；
11.图6是穿过图5的活塞的一部分的截面视图；
12.图7是活塞的图解视图，其示出了燃烧燃料在另一个燃烧阶段的喷射射流；
13.图8是穿过图7的活塞的一部分的截面视图；
14.图9是活塞的图解视图，其示出了燃烧燃料在又一个燃烧阶段的喷射射流；
15.图10是穿过图9的活塞的一部分的截面视图；
16.图11是活塞的另一个图解视图，其示出了燃烧燃料在又一个燃烧阶段的喷射射流；并且
17.图12是穿过图11的活塞的一部分的截面视图。
具体实施方式
18.参考参见图1，示出了根据一个实施例的内燃机系统8，该内燃机系统包括具有发动机壳体12的内燃机10，该发动机壳体具有气缸体14和发动机缸盖16。发动机壳体12具有形成在其中的燃烧气缸26。第一气体交换阀18和第二气体交换阀20支撑在发动缸盖16中，并且能够移动以分别打开和关闭第一气体交换导管22和第二气体交换导管24。第一气体交换阀18可以包括进气阀，第二气体交换阀20可以包括排气阀，每个阀都可以是排气阀，或者每个阀都可以是进气阀。通常，通过涡轮增压器压缩机压缩的进气可以通过气体交换导管22和气体交换导管24中的一者输送至燃烧气缸26，并且排气以通常传统的方式通过气体交换导管22和气体交换导管24中的另一者输送至排气系统。
19.燃烧气缸26可以包括任何合适布置形式的多个燃烧气缸中的一种，诸如v型、直列型或另一种型。燃料喷射器28支撑在发动机壳体12中，并且在图示的情况下安装在发动机缸盖16中，用于将燃料直接喷射到燃烧气缸26中。燃料喷射器28限定了喷射器轴线29，并且
具有形成在其中并定位在燃烧气缸26内的多个喷孔30。喷孔30限定了多个喷射射流路径31，该喷射射流路径相对于喷射器轴线29径向向外并轴向向外行进到燃烧气缸26中。“轴向向外”意指远离轴线的线段的中心点，而“轴向向内”具有相反的含义。径向向内和径向向外的是本文中所常规使用的术语。活塞位于燃烧气缸26内，并且能够在下止点位置和上止点位置之间移动，以将燃烧气缸26中的流体压力增加到用于喷射燃料的自燃阈值。内燃机系统8可以在传统的四冲程循环中运行，然而，本发明不限于此。活塞销64安装在活塞32中并与连杆66联接，连杆应理解为以通常常规的方式与曲轴联接。发动机12可以构造成利用合适的压燃式燃料例如柴油馏分燃料运行。如从以下描述中将进一步显而易见的，内燃机系统8可以被独特地构造，包括通过活塞32的几何形状，用于与某些已知策略相比减少由发动机12的燃烧气缸26和任何其他气缸中的燃料燃烧所产生的排气中的烟炱的量。
20.活塞32包括活塞顶34，活塞顶限定了在第一活塞轴向端40和具有燃烧面44的第二活塞轴向端42之间延伸的活塞中心轴线38。第一活塞轴向端40可包括活塞裙62或由活塞裙形成，活塞裙例如通过焊接附接到活塞顶34。活塞顶34还包括活塞外表面，该活塞外表面具有绕活塞中心轴线38周向延伸的顶台58。一个或多个活塞环60位于环槽中，该环槽围绕活塞中心轴线38在顶台58下方周向延伸。现在参见图2和图3，活塞顶34包括顶主体36。本文中对活塞顶34或活塞顶主体36或活塞32本身的描述和论述应理解为可互换地指代这些中的任一者。燃烧面44形成了具有中心锥体48和凹腔周缘50的燃烧凹腔46。燃烧面44进一步形成了具有边缘内周缘54和边缘外周缘56的圆周边缘52。燃烧面44还形成了台阶70，该台阶在燃烧凹腔46与圆周边缘表面52之间过渡并具有与凹腔周缘50过渡的第一台阶表面72和与边缘内周缘54过渡的第二台阶表面74。圆周边缘52径向向外延伸至活塞外表面/顶台88。应当理解，本文对燃烧凹腔46和台阶70的描述涉及由这些特征形成的区域或体积，而不是其单个表面。
21.燃烧面44具有围绕活塞中心轴线38的改变的旋转轮廓，这意味着燃烧凹腔46和台阶70不是轴对称的。燃烧面44的改变的旋转轮廓在围绕活塞中心轴线38的间隔开的角取向上形成了射流间相互作用限制器76。从图2还可以注意到，喷射射流路径31被示出并且与射流间相互作用限制器76交替布置。射流间相互作用限制器76布置在偏离喷射射流路径31的位置处，这意味着燃料的喷射射流将对准射流间相互作用限制器76之间的位置。喷射射流路径31可以在轴向投影中在与相邻射流间相互作用限制器76等距的位置处与活塞32相交。已经发现，在至少一些情况下，限制燃烧燃料的喷射射流之间的相互作用可有利地限制烟炱的产生。如本文所进一步讨论，对相互作用的限制可包括限制所形成的或在燃烧燃料的各个喷射射流内形成的烟炱袋的合并，或限制燃烧燃料的喷射射流的区域的合并，其中烟炱形成是可能的或能够预期的。
22.在一个实际的实施方式中，射流间相互作用限制器76的数量为3个至8个。在一个改进中，射流间相互作用限制器76的数量为5个至7个，并且在所示实施例中为6个。射流间相互作用限制器76可以围绕活塞中心轴线38规则地间隔开，因此在所示实施例中，射流间相互作用限制器76的位置彼此偏离60
°
。类似地，喷射射流路径31可以围绕喷射器轴线29沿圆周规则地间隔开，并且可以布置成使得每个喷射射流路径31对准活塞32上位于相邻射流间相互作用限制器76之间的中间位置。
23.从这些图示可以注意到，射流间相互作用限制器76可以部分地形成在燃烧凹腔46
内并且部分地形成在台阶70内。已经确定，在喷射射流的初始喷射部分期间限制射流间相互作用以及在喷射射流已经行进到并进入台阶70的情况下限制射流间相互作用是有利的，在喷射射流的初始喷射部分期间燃烧燃料的喷射射流位于燃烧凹腔46内。此外，该方式被认为优化了燃烧空间内燃烧燃料和可用氧之间的接触，而不是允许使氧气进入受到限制并由此促成烟炱产生的区域的合并和扩大。为此，射流间相互作用限制器76各自包括在燃烧凹腔46内突出的凹腔部件78，以限制在径向向外行进穿过燃烧凹腔46的燃烧燃料的相邻喷射射流之间的相互作用。射流间相互作用限制器76各自进一步包括台阶部件80，该台阶部件在台阶70内突出以在燃烧燃料一旦从燃烧凹腔46行进到台阶70中并且在方位角上展开时，限制燃烧燃料的相邻喷射射流之间的相互作用。通过下面的讨论，与限制燃烧燃料的喷射射流的射流间相互作用有关的现象和机制将变得更加显而易见。
24.现在还参见图4，在所示的实施例中，每个射流间相互作用限制器76中的凹腔部件78和台阶部件80关于平行于并与活塞中心轴线38相交的共同对称平面100对称。在图4中示出了示出主题对称平面的虚线，并且应当理解，在顶视图中，在轴向投影中，每个射流间相互作用限制器76关于平面100左右对称。平面100包括并与活塞中心轴线38相交。还应当注意的是，凹腔部件78和台阶部件80在轴向投影中是圆形的，并且在轴向投影中可以具有大致半圆形的轮廓。图4还示出了油道83，该油道在其第一轴向侧上部分地由活塞顶34形成，并且还部分地由活塞裙62形成。燃烧面44位于活塞顶44的第二轴向侧上。背侧冷却表面84与燃烧凹腔46相对定位，使得燃烧的热量通过燃烧凹腔46和冷却通道82之间的活塞顶34的材料厚度耗散。
25.还可以从附图中看出，特别是在图4中，燃烧面44在射流间相互作用限制器76的位置处以及在射流间相互作用限制器76之间的周向位置处具有燃烧面轮廓。在所示的实施例中，燃烧面轮廓包括位于射流间相互作用限制器的位置处的限制器轮廓，以及位于射流间相互作用限制器76之间的周向位置处的基部轮廓。限制器轮廓可以理解为例如在平面100的位置处围绕活塞中心轴线38旋转的轮廓。基部轮廓是大致在图4所示的截面平面处能够观察到的轮廓。在所示的实施例中，限制器轮廓与基部轮廓一致。一致意味着基本上一致，尽管不一定完全一致。因此将进一步理解的是，燃烧面轮廓在射流间相互作用限制器76的位置处和射流间相互作用限制器76之间的位置处可以基本上相同，但是在径向方向上发生了位移。在其他实施例中，限制器轮廓和基部轮廓可以不同。例如，在一些情况下，可能希望在台阶70内提供相对更多或更少的体积，并且第二台阶表面74的弧形路径或其他形状可以在相邻的射流间相互作用限制器76之间变化，以提供从与圆周边缘52邻近的活塞32铲出的更多或更少的体积。还可能希望的是，改变凹腔部件78和台阶部件80之间的过渡的形状。
26.凹腔部件78和台阶部件80可以是分离的，如图所示，或者在凹腔底板86和圆周边缘52之间是结合的和连续的。燃烧凹腔46包括凹腔底板86，以及在凹腔底板86与凹腔周缘50之间延伸的凹腔外壁88。凹腔外壁88可以从凹腔底板86延伸至凹腔周缘50。射流间相互作用限制器76中每一者的的凹腔部件78可以在凹腔底板86和凹腔周缘50之间轴向延伸，并从凹腔外壁88径向向内延伸。凹腔部件78进一步可以从凹腔底板86充分轴向延伸至凹腔周缘50。台阶部件80可以在第一台阶表面72与边缘内周缘54之间轴向延伸，并且从第二台阶表面74径向向内延伸。台阶部件80进一步可以从第一台阶表面72完全延伸至边缘内周缘54。因此，可以看出，在所示的实施例中，第一台阶表面72部分地形成在每个射流间相互作
用限制器76的凹腔部件78上。圆周边缘52部分地形成在每个射流间相互作用限制器76的台阶部件80上。第一台阶表面72的突出部分94示出在图4中的凹腔部件78上。圆周轮缘52的突出部分96示出在图2中的台阶部件80上。第一台阶表面72可以是平面的并且可以定向成垂直于活塞中心轴线38。第二步骤表面74可以是圆形的并且可以定向成平行于活塞中心轴线38。
27.图4进一步示出了由凹腔周缘50限定的第一曲率半径90和由边缘内周缘54限定的第二曲率半径92。第二曲率半径92可以大于第一曲率半径90。已经发现，在凹腔周缘处的尖锐曲率半径可以帮助燃烧燃料的喷射射流从燃烧面44分离，从而促进与可用氧的混合，如在本文所进一步讨论。因此，第一曲率半径90可以相当小，例如2毫米或更小，并且在一些实施例中可以包括去毛刺的边缘。燃烧凹腔46还可以与促进燃烧燃料的喷射射流的部分分离并避免喷射射流从止挡件70出来并朝向气缸衬套壁行进的原理一致地重新进入。
28.图3和图4还示出了活塞32的某些尺寸和比例属性。第一台阶表面72可以从凹腔周缘50延伸至第二台阶表面74并且限定了台阶宽度尺寸102。第二台阶表面74从第一台阶表面72延伸至边缘内周缘54并且限定了台阶深度尺寸104。顶台58围绕活塞中心轴线38周向延伸，因此限定了活塞直径尺寸106。台阶宽度尺寸102和台阶深度尺寸104中的每一者可为活塞直径尺寸106的约3％至约8％。这些成比例的特性被认为是提供了台阶70的足够的体积以参与与本文阐述的原理一致的燃烧过程，而不会过度地干扰压缩比或产生其他挑战。如本文所用，术语“约”应理解为意指通常或大致。例如，约3可能意味着2.5到3.4，与常规四舍五入到一致数量的有效数字一致。与台阶70相关联的相对比例可以预期缩放到相对较大的活塞尺寸以及相对较小的活塞尺寸。
29.工业实用性
30.现在参见图5，示出了活塞32的视图，如在图中可以显现，其中燃烧燃料的多个喷射射流131已经喷射到燃烧气缸26中并且在燃烧凹腔60中向外行进。如图5所描绘的条件出现的发动机正时可根据诸如喷射正时、发动机转速、喷射压力、增压压力等因素而改变，但在压缩冲程中在活塞32的上止点位置之前可能观察到几度。喷射射流131已经从喷射孔30径向向外和轴向向下行进，并且已经开始沿着外壁88从凹腔底板86向上移动。参见图6，示出了在对应于图5的喷射射流131内可以观察到的情况的截面视图。喷射射流131的较热的中心区域135通常被较冷的第二区域133包围。如在图5中还可以看到，喷射射流131的提升长度在139处示出并且表示燃料尚未燃烧，而喷射射流131的剩余部分可以理解为主动燃烧。
31.在图7和图8中，可以看到随后的阶段，其中喷射射流131已经开始行进离开燃烧凹腔46并接近或开始进入台阶70。可以看出，喷射射流131的一些方位展开正在发生。从图8还可以注意到，烟炱区域137已经开始形成，并且喷射射流131已经开始从燃烧面44分离。射流间相互作用限制器76防止其否则可能被观察到的喷射射流131之间的相互作用。
32.在图9和图10中，在进一步的后续阶段可以看出，在台阶70中已经发生了额外的方位角展开，喷射射流131开始遇到射流间相互作用限制器76的凹腔部件78和台阶部件80。烟炱袋137已经有所扩大，在很大程度上仍然被积极燃烧的喷射燃料包围。大致如图9和图10所示，当射流在凹腔周缘50上出现时，喷射射流131开始在所有方向上展开，包括在方位角上更强势地展开到台阶70中。在台阶70中使空气进入有助于保持燃烧和烟炱氧化。尽管烟
炱区域137从前面的阶段进一步稍微膨胀，但仍可防止在烟炱区域射流间合并。
33.在图11和图12中，描绘了可能在活塞32的上止点位置之后几度观察到的另一后续阶段，射流间相互作用限制器76继续帮助保持射流间分离，使得喷射射流131中的高烟炱区域不相互作用。可以观察到喷射射流131在圆周边缘52上的部分行进，然而，可以注意到，燃烧基本上仍保持在燃烧凹腔46和台阶70内。
34.根据图11和图12中描绘的状态，已经留在燃烧凹腔46和台阶70中的喷射射流131的部分可以开始通过射流间相互作用限制器76朝向燃烧气缸26的中心被引导返回。喷射射流131将最终在燃烧凹腔46中和在台阶70中与邻近的或相邻的喷射射流合并，然而射流间相互作用限制器76防止了喷射射流131的高烟炱区域、更富集区域与邻近的射流合并，特别是与邻近的高烟炱区域合并，从而有助于在台阶70中更好使空气进入燃烧凹腔46上方以及喷射射流131之间。通过根据本文所讨论的原理限制射流间相互作用，相信与在传统轴对称燃烧凹腔中将发生的燃烧相比，总的烟炱产生将减少。
35.本说明书仅用于说明目的，而不应解释为以任何方式缩小本发明的范围。因此，本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的完整和合理的范围和精神的情况下，可以对当前公开的实施例进行各种修改。通过研究附图和所附权利要求，其他方面、特征和优点将变得显而易见。如本文所用，冠词“一”和“一个”旨在包括一个或多个项目，并且可与“一个或多个”互换使用。在仅想要一个项目的情况下，使用术语“一个”或类似语言。此外，如本文使用，术语“具有(has)”、“具有(have)”、“具有(having)”等旨在是开放式术语。此外，短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”，除非另外明确说明。