專利名稱：用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓燃式(壓縮點(diǎn)火式)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。更具體地，本發(fā)明涉及ー種性能改善的活塞。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)需要細(xì)致地平衡低排放與低燃料消耗的相背要求。政府通常限制各種排放物的生成，包括NOx、煙氣、煙灰和未燃燒的碳?xì)浠衔?。減少NOx排放可通過(guò)各種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些技術(shù)中的許多都要求降低燃燒溫度，進(jìn)而增加了燃料消耗。在エ業(yè)環(huán)境中(例如，作業(yè)機(jī)械)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用者要求它們?cè)诖蠓秶乃俣群拓?fù)荷上運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)仍能滿足排放要求并實(shí)現(xiàn)合理的燃料消耗。特別地，作業(yè)機(jī)械中所用的高速 (高達(dá)2500rpm)、中徑(缸徑在IOOmm和175mm之間)的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)可在高速、高負(fù)荷狀態(tài)和怠速狀態(tài)之間反復(fù)循環(huán)。經(jīng)由這些瞬變過(guò)程來(lái)滿足排放要求需要靈活柔性的燃燒系統(tǒng)。此外，與見于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的輕載運(yùn)轉(zhuǎn)相比，這些發(fā)動(dòng)機(jī)在它們的使用壽命的更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)是在易于污染(堵塞)燃料噴射器的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)者們必須利用各種工具來(lái)工作以實(shí)現(xiàn)滿足上述需求的燃燒循環(huán)。這些工具包括燃料噴射設(shè)備、空氣流動(dòng)控制、和燃燒室的設(shè)計(jì)。在小徑(缸徑小于100mm)發(fā)動(dòng)機(jī)中，空氣系統(tǒng)的幾何構(gòu)型可用于將空氣以在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生渦流運(yùn)動(dòng)的方式導(dǎo)入到燃燒室中。較小缸徑的發(fā)動(dòng)機(jī)能以較高的速度(超過(guò)2500rpm)運(yùn)轉(zhuǎn)并且要求燃料與空氣更快地混合?？諝庀到y(tǒng)產(chǎn)生渦流運(yùn)動(dòng)以增強(qiáng)燃料與空氣的混合。帶渦流的燃燒室與在1991年3月19日授予Schweinzer等人的美國(guó)專利No. 5,000，144和1999年4月28日公開的歐洲專利申請(qǐng)No. 0911500中所示的全體活塞直徑相比往往具有更窄的喉部區(qū)域。窄的喉部區(qū)域在活塞的頂部和氣缸蓋之間形成更大的擠壓區(qū)域。被噴入這些燃燒室中的燃料是要進(jìn)入環(huán)部而不與底部接觸的。Schweinzer還示出了允許活塞接近氣缸中的上死點(diǎn)位置而不碰到燃料噴射器尖端的凹部。但是，Schweinzer沒(méi)有討論凹部中的空氣與噴射器性能間的相互影響。大徑(180mm直徑或更大)、中速(在900和1500rpm之間)的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)往往使用非渦流的(靜的，quiescent)或半渦流的開式燃燒室設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)將空氣以繞燃燒室的軸線產(chǎn)生很少的氣體渦流運(yùn)動(dòng)或不產(chǎn)生氣體渦流運(yùn)動(dòng)的方式導(dǎo)入到燃燒室中。在這些類型的燃燒室中較高的燃料噴射壓力引起運(yùn)動(dòng)以促進(jìn)燃料與空氣的混合。另外，較細(xì)的液滴尺寸增大了暴露于空氣的表面積。這些燃燒室設(shè)計(jì)還具有較小的可用于向環(huán)部提供空氣的擠壓區(qū)域。在2008年10月21日授予Poola等人的美國(guó)專利No. 7，438，039公開了在大徑、中速的柴油機(jī)上使用銳角凹入部以改善非渦流的或半渦流的燃燒室中的空氣流動(dòng)。Poola還教導(dǎo)了在燃料噴射器的尖端附近安置凹部。Poola中的凹部通常被認(rèn)為是輔助將活塞從發(fā)動(dòng)機(jī)移除以進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。同樣，Poola未說(shuō)明凹部中的空氣與燃料噴射器尖端間的相互影響。這些文獻(xiàn)都未討論改善燃料噴射器尖端周圍的空氣流動(dòng)的重要性。沒(méi)有適當(dāng)?shù)目諝饬鲃?dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性會(huì)隨其壽命或在特定的條件下改變。例如，噴射器尖端周圍的高溫會(huì)隨時(shí)間增加對(duì)燃料噴射器尖端的污染。這些變化會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)滿足低燃料消耗的客戶需求和低排放的規(guī)定要求兩者的能力。在本申請(qǐng)中公開的當(dāng) 前活塞解決了上述的ー個(gè)或多個(gè)方面，以改善中徑、高速的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面中，公開了ー種用于發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞，其包括具有外徑和內(nèi)徑的頂部，其中內(nèi)徑與外徑的比率大于O. 65。所述活塞是凹入式設(shè)計(jì)的凹腔，包括凹入部(再入部，reentrant portion)、環(huán)部和底部(floor portion),所述底部導(dǎo)向(通向)圍繞所述活塞的中心軸線的凹部。所述底部具有約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。在另ー個(gè)方面中，公開了ー種用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞，其包括具有外徑和內(nèi)徑的頂部，其中內(nèi)徑與外徑的比率大于0. 65。凹入式的凹腔設(shè)計(jì)包括凹入部、環(huán)部和底部。一凹部由凹部過(guò)渡部連接到所述底部。所述凹部具有比凹腔深度小的下凹深度。在又ー個(gè)方面中，公開了ー種用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞，其具有繞中心軸線安置的頂部。所述頂部的外徑為約105mm，內(nèi)徑與外徑的比率在約0. 65和0. 75之間。凹入式的凹腔設(shè)計(jì)包括凹入部，所述凹入部具有約63至68度的凹入角度。ー環(huán)部限定最大凹腔深度。一凹部具有約為0. 09的凹部直徑與所述內(nèi)徑的比率。這些和其它特征將從下面對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明而變得更清楚。


圖I示出壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的局部剖視圖；圖2示出圖I的活塞的剖視圖；圖3示出圖2的活塞的俯視圖；以及圖4示出圖2中的細(xì)節(jié)“A”的放大剖視圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將詳細(xì)參照具體的實(shí)施例或特征，其示例在附圖中示出。一般地，相同或相應(yīng)的附圖標(biāo)記將在各圖中用于指代相同或相應(yīng)的部分。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，術(shù)語(yǔ)“上”、“下”、“頂”、“底”、“向上”、“向下”和與方向有關(guān)的其它術(shù)語(yǔ)僅用來(lái)便于說(shuō)明如在圖中所示出的對(duì)象，并且不應(yīng)當(dāng)被視為將該說(shuō)明的范圍限制干與各個(gè)這些術(shù)語(yǔ)相關(guān)的方向。所提供的所有尺寸應(yīng)當(dāng)理解為包括與制造エ藝如機(jī)加工、鋳造等相關(guān)的常規(guī)公差。如圖I最佳地示出，發(fā)動(dòng)機(jī)10由限定了氣缸30的缸體20構(gòu)成?；钊?0以可滑動(dòng)的方式安置在氣缸中。氣缸30也可由安置在缸體20中的氣缸套(未示出)形成，其中氣缸套限定氣缸30。氣缸蓋50連接到缸體20。氣缸蓋50具有氣缸面向部60。氣缸面向部60、活塞40和氣缸30限定了燃燒室70。燃料噴射器80安置在氣缸蓋50中并且具有尖端部90，尖端部90具有適于將燃料導(dǎo)入燃燒室70中的多個(gè)噴ロ(未示出)。氣缸蓋50還限定有至少ー個(gè)進(jìn)氣ロ 100和至少ー個(gè)排氣ロ 110。進(jìn)氣門120在氣缸蓋50中移動(dòng)以至少部分地閉塞進(jìn)氣ロ 100。類似地，排氣門130安置在氣缸蓋50中以至少部分地閉塞排氣ロ 110。燃料噴射器80的尖端部90具有噴射角度IA，其中噴射角度IA被限定為活塞中心軸線140與噴口中心軸線150之間的角度。圖2所示的活塞具有環(huán)岸160、裙部170、頂部180和凹腔190。環(huán)岸160具有第一端部200和第二端部210。第二端部包含環(huán)槽220。頂部180鄰近環(huán)岸部160的第二端部210。裙部170與環(huán)岸160的第一端部200鄰接。凹腔190具有由頂部過(guò)渡部250、凹入部260、環(huán)部270、底部280和凹部290限定的凹腔體積(容積)Vb。在本實(shí)施例中，凹腔體積Vb約為57cc。頂部過(guò)渡部250優(yōu)選地為從頂部180過(guò)渡到凹入部260的I. 5mm的半徑。但是，對(duì)頂部過(guò)渡部250也可使用更小的半徑或邊緣。凹入部260是使頂部過(guò)渡部250與環(huán)部270連接的部分錐形表面并且與頂部180具有在63和68度之間的凹入角度RA。凹部290是由約9mm的半徑形成的部分球形表面,具有從頂部180算起約9. 4mm的下凹深度295。本實(shí)施例中的凹部290具有約O. Icc的體積Vr。所述凹部的體積也可用式子Vr ^ KVb來(lái)描述，其中K是約為O. 002的常數(shù)。在圖3中最佳地示出的頂部180是環(huán)狀的并且具有從頂部過(guò)渡部與頂部180的相交處測(cè)量的內(nèi)徑230。頂部的外徑240是從環(huán)岸160測(cè)量的。凹部290具有凹部直徑297，凹部直徑297是在與凹部相切的線垂直于活塞中心軸線的位置測(cè)量的。在本實(shí)施例中，所述外徑約為105mm。內(nèi)徑230與外徑240的比率在O. 65和O. 75之間。凹部直徑297與內(nèi)徑240的比率約為O. 09。圖4中的底部的較大細(xì)節(jié)示出了相對(duì)于活塞中心軸線140限定的在65和70度之間的底部角度FA。凹部過(guò)渡部300使底部280與凹部290連接。底部過(guò)渡部310使底部280與環(huán)部270連接。凹部過(guò)渡部300和底部過(guò)渡部310兩者都可由3mm或更小的半徑形成。環(huán)部270由半徑320形成并且使底部過(guò)渡部310與凹入部260連接。在該實(shí)施例中，半徑320約為9mm,而最大凹腔深度330約為16. 8mm。エ業(yè)實(shí)用件在工作中，活塞40向下移動(dòng)，將諸如空氣的氧化劑經(jīng)進(jìn)氣門120通過(guò)進(jìn)氣ロ 100吸入(進(jìn)氣沖程)。進(jìn)氣ロ 100在將燃料導(dǎo)入燃燒室70中的燃料噴射器80工作前的某個(gè)時(shí)間關(guān)閉。隨著活塞40朝氣缸蓋50移動(dòng)且進(jìn)氣ロ 100和排氣ロ 110兩者被各自的進(jìn)氣門120和排氣門130閉塞，活塞40壓縮包括凹部290在內(nèi)的燃燒室70中的氧化劑(壓縮沖程)?；钊?0最終開始減慢并改變方向而使得活塞40移離氣缸蓋50 (做功沖程)。當(dāng)活塞40接近從壓縮沖程到做功沖程的轉(zhuǎn)變點(diǎn)(也已知為上死點(diǎn)位置)時(shí)燃料噴射器80將供給至少ー些燃料。在本實(shí)施例中，燃料噴射器80將燃料射流部340朝環(huán)部引導(dǎo)而不與底部280接觸。但是，燃料尾流(fuel plume)部350將氣化并與底部280接觸。與底部280接觸的燃料尾流部350使燃燒過(guò)程變慢并降低溫度升高速率，由此減少NOx形成。尾流部350沿底部280移動(dòng)到環(huán)部270中，在這里底部過(guò)渡部310允許來(lái)自環(huán)部270的額外空氣進(jìn)ー步與未燃燒的燃料(未示出)混合。該進(jìn)ー步的混合增加未燃燒燃料的燃燒并減少煙灰的形成。 類似地，凹入部260的凹入角度RA促進(jìn)空氣額外地混合到未燃燒的燃料中并促進(jìn)煙灰的氧化。在壓縮沖程中留在凹部290中的空氣提供了用于與從燃料噴射器80排出的燃料混合的額外空氣。特別地，凹部290通過(guò)增加在燃料噴射開始時(shí)在尖端部90附近的空氣的運(yùn)動(dòng)和體積而降低燃料噴射器80的表面溫度。當(dāng)前的實(shí)施例使燃燒溫度降低約100K(180R)并允許燃料噴射正時(shí)提前，以便改善燃料消耗、同時(shí)仍滿足排放要求。降低燃料在尖端部90附近的燃燒溫度可限制對(duì)尖端部90的污染并且可改善噴射器80的工作壽命。盡管已在本文中描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是可引入各種改進(jìn)和變型而不脫離所附權(quán)利要求的范圍?！?br> 權(quán)利要求
1 所要求保護(hù)的是 ·1.ー種用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞，包括 具有外徑和內(nèi)徑的頂部，其中所述內(nèi)徑與所述外徑的比率大于O. 65 ； 與所述頂部連接的凹入部，其中所述凹入部具有約63至68度的凹入角度； 與所述凹入部連接的環(huán)部，所述環(huán)部限定最大凹腔深度； 與所述環(huán)部連接的底部，其中所述底部具有約65至70度的底部角度；和繞所述活塞的中心軸線的凹部，所述凹部與所述底部連接，所述凹部具有下凹深度，其中所述最大凹腔深度大于所述下凹深度。
2.如權(quán)利要求I所述的活塞，其特征在于，所述內(nèi)徑與所述外徑的所述比率小于O.75。
3.如權(quán)利要求I所述的活塞，其特征在于，所述凹部具有由式子Vr^ KVb限定的凹部體積Vr，其中K是約為O. 002的常數(shù)，Vb是活塞凹腔的體積。
4.如權(quán)利要求3所述的活塞，其特征在于，還包括連接在所述底部和所述環(huán)部之間的底部過(guò)渡部,其中所述底部過(guò)渡部是約3mm的半徑。
5.如權(quán)利要求4所述的活塞，其特征在干，還包括連接在所述頂部和所述凹入部之間的頂部過(guò)渡部，其中所述頂部過(guò)渡部是約I. 5mm的半徑。
6.如權(quán)利要求I所述的活塞，其特征在于，所述凹部是部分球形表面。
7.如權(quán)利要求I所述的活塞，其特征在于，所述凹部具有凹部直徑，其中所述凹部直徑與所述內(nèi)徑的比率約為O. 09。
8.如權(quán)利要求I所述的活塞，其特征在于，所述底部適于在具有燃料噴射器的發(fā)動(dòng)機(jī)中工作，所述燃料噴射器具有與所述底部接觸的燃料尾流部。
9.ー種用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞，包括 具有外徑和內(nèi)徑的頂部，其中所述內(nèi)徑與所述外徑的比率大于O. 65 ； 與所述頂部連接的凹入部； 與所述凹入部連接的環(huán)部，所述環(huán)部限定最大凹腔深度； 與所述環(huán)部連接的底部，其中所述底部具有65度或更大的底部角度； 與所述底部連接的凹部過(guò)渡部；和 繞所述活塞的中心軸線的凹部，所述凹部與所述凹部過(guò)渡部連接，所述凹部具有下凹深度，其中所述最大凹腔深度大于所述下凹深度。
10.如權(quán)利要求9所述的活塞，其特征在于，所述底部角度為70度或更小。
11.如權(quán)利要求10所述的活塞，其特征在于，所述凹部是部分球形表面。
12.如權(quán)利要求11所述的活塞，其特征在于，所述凹部具有凹部直徑，其中所述凹部直徑與所述內(nèi)徑的比率約為O. 09。
13.如權(quán)利要求9所述的活塞，其特征在于，所述底部適于在具有燃料噴射器的發(fā)動(dòng)機(jī)中工作，所述燃料噴射器具有比所述底部角度大的噴射角度。
14.如權(quán)利要求9所述的活塞，其特征在于，所述凹入角度為約63至68度。
15.如權(quán)利要求9所述的活塞，其特征在于，還包括具有約為105_的外徑的頂部。
16.如權(quán)利要求15所述的活塞，其特征在于，所述最大凹腔深度約為16.8mm。
17.如權(quán)利要求16所述的活塞，其特征在于，所述下凹深度約為9.5mm。
18.一種用于中徑的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞，包括中心軸線； 繞所述中心軸線安置的頂部，所述頂部具有約105mm的外徑和一內(nèi)徑，其中所述內(nèi)徑與所述外徑的比率在約O. 65和O. 75之間； 與所述頂部連接的凹入部，其中所述凹入部具有約63至68度的凹入角度； 與所述凹入部連接的環(huán)部，所述環(huán)部限定最大凹腔深度； 與所述環(huán)部連接的底部，其中所述底部具有約65至70度的底部角度；和繞所述活塞的中心軸線的凹部，所述凹部與所述底·部連接，所述凹部具有下凹深度，其中所述最大凹腔深度大于所述下凹深度，所述凹部是部分球形表面，凹部直徑與所述內(nèi)徑的比率約為O. 09。
19.如權(quán)利要求18所述的用于中徑的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞，其特征在于，所述凹部具有由式子Vr SKVb限定的凹部體積Vr，其中K是約為O. 002的常數(shù)，Vb是活塞凹腔的體積。
全文摘要
一種用于壓燃式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞包括頂部、環(huán)部和凹入部。所述活塞還具有繞所述活塞的中心軸線的凹部，所述凹部設(shè)計(jì)成降低燃料噴射器的尖端部附近的溫度。
文檔編號(hào)F02F3/28GK102686863SQ201080058648
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月22日
發(fā)明者J·S·奧克斯博羅, M·帕西, T·麥凱 申請(qǐng)人:珀金斯發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司