用于内燃机的活塞和使用该活塞的内燃机的制作方法

xiaoxiao2020-7-22  4

专利名称:用于内燃机的活塞和使用该活塞的内燃机的制作方法
技术领域
本实用新型总的涉及一活塞,具体来说,涉及一具有双碗几何形状的活塞。
背景技术
发动机包括有柴油机、汽油机、天然气发动机和本行业中已知的其它发动机,它们排出复杂的污染空气的混合物。空气污染物可由气体和固体颗粒物质复合物组成,前者可包括氮的氧化物,后者可包括称之为烟灰的未燃烧的碳氢化合物颗粒。
由于人们越来越关注环境,所以,排放物的标准已变得更加严格。根据发动机的类型、发动机的大小,和/或发动机的等级,规定了发动机排出的空气污染物的量。发动机制造商为了符合排放到环境中颗粒物质的规定所采取的一个方法是研制出新型的发动机,其提高旋涡和空气/燃料混合,同时允许其靠近上死点(TDC)延迟喷射燃料。
提高旋涡的一种方法揭示在2000年11月28发表的授予Parsi等人的美国专利No.6,152,101中(‘101专利)。该‘101专利描述了一用于内燃机中的活塞,其具有在邻近TDC的发动机循环的临界周期上在燃烧室内产生高速气体的能力。具体来说,‘101专利的活塞具有一燃烧碗,其具有与第二容积连通的第一容积。连接第一和第二容积的一喉部的最小直径小于第一容积的最大直径,并小于第二容积的最大直径。第一容积的最大直径大于燃烧碗的嘴的直径。形成第一容积的一壁装置相对于活塞顶面的夹角小于90度。
尽管‘101专利的活塞可邻近TDC产生高速气体,但它不能完全地利用活塞顶的一面以上的一空间,以便产生旋涡或混合。尤其是,因为‘101专利的嘴和喉部具有的直径小于第一和第二容积的直径,并因为壁装置相对于活塞顶面形成的一夹角小于90度,所以,注入到第一和第二容积内的几乎所有燃料沿径向向内朝向活塞的中心部分重新定向,而不是进入活塞顶的面以上的空间内。此外,因为第一和第二容积的内部几何具有几乎相同的轮廓,所以,可限制由第一和第二容积造成的活塞气缸内的旋涡的方向。此外,‘101专利的活塞不提供冷却活塞的方法。
本实用新型揭示的活塞涉及克服以上所阐述的诸多问题中的一个或多个问题。
实用新型内容因此,本实用新型的目的在于,提供一种用于内燃机的活塞和使用该活塞的内燃机,其中活塞具有双碗形状,从而促进有控制的旋涡并阻止燃料无控制的扩散。
在一个方面,本实用新型涉及一用于内燃机的活塞,该活塞包括一活塞顶,具有一带有一内部环形边缘的面;其中,该活塞还包括一第一活塞碗,凹陷在活塞顶的面内,第一活塞碗具有一底表面和一外壁,一从活塞的面的内部环形边缘延伸并相切于外壁的直线与活塞顶的面形成一大于90度的内角θ;以及一第二活塞碗,凹陷在第一活塞碗的底表面内。
在另一方面,本实用新型涉及一内燃机,包括一形成多个气缸的发动机体;以及设置在各个多个气缸内的活塞顶,活塞顶具有一面;其中,该活塞顶还具有一凹陷在活塞顶的面内的第一活塞碗,第一活塞碗具有一底表面和一外壁,一从活塞的面的内部环形边缘延伸并相切于外壁的直线与活塞顶的面形成一大于90度的内角θ;以及一第二活塞碗,凹陷在第一活塞碗的底表面内。
借助本实用新型的双碗形活塞,可以促进有控制的旋涡并阻止燃料无控制的扩散。另外,由于燃料飞溅到第一活塞碗内是相对于活塞顶沿径向向外和向上,而燃料飞溅到第二活塞碗内是向上和沿径向向内,所以活塞顶上方的空间的较大部分可用来进行混合。因此,可以加强燃料的旋涡和/或混合。


图1是一揭示的示范内燃机的示意性概图;以及图2是用于图1的内燃机的揭示的示范活塞的截面图。
具体实施方式
一示范的内燃机10示于图1中。内燃机10以一柴油机为例进行图示和描述。然而,内燃机10可以构思为任何其它类型的内燃机,例如,汽油机或天然气发动机。内燃机10可包括一发动机体12、多个活塞组件14(仅示出一个)、一与各个活塞组件14相连的气缸头16、一阀致动系统18、一吸气系统20、一燃料系统22和一排气系统24。发动机体12是形成多个气缸26(仅示出一个)的中心结构部件。活塞组件14之一可滑动地设置在各个气缸26内。可以构思内燃机10包括任何数量的气缸26,气缸26可设置成一“直线”的结构、一“V”型的结构,或任何其它传统型式的结构。
各个活塞组件14可以构造成在一下死点(BDC)位置(气缸26内的最下位置)和一上死点(TDC)位置(气缸26内的最上位置)之间作往复运动。尤其是,活塞组件14可包括一可枢转地连接到连接杆30的活塞顶28,连接杆30又可枢转地连接到曲轴32。内燃机10的曲轴32可转动地设置在发动机体12内,各个活塞组件14连接到曲轴32,这样,各活塞组件14在各气缸26内的滑动运动造成曲轴32的转动。同样地,曲轴32的转动可导致活塞组件14的滑动运动。当曲轴32转动180度时,活塞顶28和相连的连接杆30移动通过BDC和TDC之间的一个完整的冲程。内燃机10可以是四冲程的发动机,其中,一完整的循环包括一吸气冲程(TDC至BDC)、一压缩冲程(BDC至TDC)、一动力冲程(TDC至BDC),以及一排气冲程(BDC至TDC)。也可构思内燃机10可以是二冲程发动机,其中,一完整的循环包括一压缩/排气冲程(BDC至TDC)和一动力/排气/吸气冲程(TDC至BDC)。
如图2所示,活塞顶28可具有一带有纵向轴线34的大致圆柱形结构,并可包括一枢轴轴承支承件36、一个或多个环槽38、一冷却通道40以及一面42。枢轴轴承支承件36可以是大致管状的,相对于纵向轴线34横向地设置,并构造成接纳一轴承(未示出),以便可转动地支承一连接活塞顶28和连接杆30的肘节销(未示出)。环槽38可包括切割入活塞顶28的外弧形表面内的环形槽,并可构造成接纳油环、压缩环、或本技术领域内已知的任何其它类型的活塞环。冷却通道40可包括一环形通道,其构造成便于诸如发动机油的冷却介质的循环。在内燃机10的运行过程中,发动机油通过冷却通道40的循环可降低活塞顶28的温度。面42可以是弧形的或平面的活塞表面,燃烧气体对此表面施加压力。面42可提供进入第一活塞碗44和第二活塞碗46的通道。
第一活塞碗44可以是大致环形的下凹的凹陷,其沿径向与纵向轴线34对齐。具体来说,第一活塞碗44可包括一外弧形壁48和一弧形底表面50。外弧形壁48可以是一弧形表面,其在内部环形边缘52处与面42相交。从内部环形边缘52延伸和相切于外弧形壁48的一直线53与面42形成一内角θ,其大于90度。可以构思内部环形边缘52为圆形以将应力集中减到最小。第一活塞碗44的最大直径可以沿内部环形边缘52定位在面42的表面上。第一活塞碗44的最大直径可以大于冷却通道40的直径,以促进第一活塞碗44的冷却。第一活塞碗44可沿纵向轴线34定位在冷却通道40和面42之间。外弧形壁48和底表面50可以这样构造当注入的燃料朝向第一活塞碗44时,注入的燃料首先接触到弧形底表面50,然后,朝向外弧形壁48流动,以便远离弧形底表面50朝向面42沿径向向外和向上重新定向。
第二活塞碗46是一大致对称的凹陷,其设置在第一活塞碗44的弧形底表面50内并沿径向与纵向轴线34对齐。第二活塞碗46可包括一凹陷的环形外壁54和一中心的凸出的底表面56。第二活塞碗46的最大直径可小于冷却通道40的直径,以确保活塞顶28的足够的结构完整性。第二活塞碗46可沿纵向轴线34定位在冷却通道40和第一活塞碗40之间,使最远离面42的凸出的底表面56的一部分基本上与最靠近面42的冷却通道40的一表面共面。可以构思最远离面42的凸出的底表面56的一部分沿着基本上不与最靠近面42的冷却通道40的表面对齐的平面定位。环形外部54和凸出底表面56可以这样构造当注入的燃料朝向第二活塞碗46时,注入的燃料首先接触到环形外壁54,然后,朝向凸出的底表面56流动,以便远离凸出的底表面56朝向面42沿径向向内和向上重新定向。凸出的底表面56可具有基本上与活塞顶28的内下表面57一致的外形,以便于活塞顶26内的应力分布。
第二活塞碗46的环形外壁54可在环形突出部分58处插入第一活塞碗44的弧形的底表面50。环形突出部分58可远离弧形的底表面50朝向面42延伸,并几乎与面42共面。可以构思突出部分58延伸到不与面42共面的低于面42的一点,并可直接向内而不是向上延伸。突出部分58内的一开口的直径小于第二活塞碗46的最大直径,以促进注入第二活塞碗46内的燃料沿径向向内重新定向。环形外壁54与弧形底表面50的相交可以是圆形,以最大程度地减小应力集中。
第一活塞碗44、第二活塞碗46,以及突出部分58的所有表面可具有弧形。尤其是,表面的弧形特性可促进有控制的旋涡并阻止注入第一和第二活塞碗44和46内的燃料无控制的飞溅。可以构思弧形底表面50和/或凸出底表面56的一部分是平面的,以便于制造。
参照图1,各个气缸头16可以与一个气缸26相连以形成一具有一个或多个端口的燃烧室60。具体来说,气缸头16可形成一吸入通道62,其引入到一对于各个气缸26的吸入端口64。气缸头16还可形成至少一个排气通道66,其引入到一对于各个气缸26的排气端口68。可以构思一气缸头16可与多个气缸26和活塞组件14相连,以形成多个燃烧室。还可构思气缸头16对于每个气缸26可形成两个或多个吸入端口64和/或排气端口68。
阀致动系统18可包括一设置在各个吸入端口64内的吸气阀70。各个吸气阀70可包括一阀,其构造成有选择地阻塞对应的吸气端口64。可致动各个吸气端口70来移动或“提升”阀元件,由此,打开对应的吸气端口64。在一具有一对吸气端口64和一对吸气阀70的气缸26中,通过一单一的阀致动器(未示出)或通过一对阀致动器(未示出)可致动成对的吸气阀70。
一排气阀72可设置在各个排气端口68内。各排气阀72可包括一阀元件,其构造成有选择地阻塞对应的端口68。可致动各排气端口72来移动或“提升”阀元件,由此,打开对应的排气端口68。在一具有一对排气端口68和一对排气阀72的气缸26内,成对的排气阀72可通过一单一的阀致动器(未示出)或通过一对阀致动器(未示出)进行致动。
空气引入系统20可构造成抽取空气A进入到内燃机10内,并可包括一与吸入通道62流体连接的吸入集管74。可以构思空气引入系统20可以是一具有涡轮机驱动或发动机驱动的压缩机(未示出)的充气系统,或可包括附加的空气处理部件,例如,废物闸门、节流阀、EGR系统、空气清洁器,或本行业内公知的任何其它空气处理部件。
燃料系统22可构造成对内燃机10供应燃料B,并可包括一加压燃料源76和至少一个燃料喷射器78。可以构思包括附加的部件,例如,一阀、一构造成将燃料分配到多个燃料喷射器的公共燃料管道、一预燃烧室,或本行业内公知的任何其它燃料系统部件。
加压燃料源76可构造成产生加压流体的流动,并可包括一泵,例如,可变位移泵、固定位移泵、可变流量泵,或本行业内公知的任何其它加压流体源。加压燃料源76可被驱动地连接到动力源(未示出),例如,通过一副轴(未示出)、一皮带(未示出)、一电路(未示出),或任何其它合适的方式。可以构思加压燃料源76是一加压的气体燃料供应源。
各燃料喷射器78可设置在与各气缸26相连的气缸头16内。以预定的燃料压力和燃料流量可操作各燃料喷射器78将加压燃料量注入到燃烧室60内。各燃料喷射器78可以机械地、电气地、气动地,或液压地进行操作。
排气系统24可以构造成从气缸26直接排放到大气并可包括一排气集管80,其与连接到各气缸26的排气通道66流体连通。可以构思排气系统24包括其它的部件,例如,一涡轮机、一废气再循环系统、一颗粒过滤器、一催化的后处理系统,或本行业内公知的任何其它的排气系统。
以下将描述本实用新型的工业应用。所揭示的燃烧控制系统可应用于喷射燃料的旋涡和混合是尤为重要的任何内燃机。现将解释内燃机10的运行。
在内燃机10的吸气冲程过程中,当活塞组件14在TDC位置和BDC位置之间的气缸26内移动时,如图1所示,吸气阀70可处于打开的位置。在吸气冲程过程中,活塞组件14朝向BDC位置的向下运动可在气缸26内形成一低压。该低压可用来通过吸气端口64从吸气通道62将空气抽吸到气缸26内。如上所述,可使用涡轮增压器来迫使加压气体进入到气缸26内。
在吸气冲程之后,吸气阀70和排气阀72可处于一关闭位置,其中,在活塞组件14向上压缩冲程的过程中,空气被阻塞退出气缸26。在压缩冲程过程中,当活塞组件14从BDC位置朝向TDC位置向上移动时,燃料可注入到气缸26内,以便混合和压缩气缸26内的空气。可以构思当如一均匀充气压缩点燃的发动机那样操作时,在部分的吸气冲程过程中,或当如一混合模式注入的发动机那样操作时,在吸气和压缩冲程过程中的多个时间内,燃料可在压缩冲程过程中的任何时间注入到气缸26内。在一实例中,活塞顶28可有效地实现为在发动机运行过程中提高旋涡和混合,其中,在压缩冲程过程中,注入燃料,此时,曲轴32转动到一角度,其在TDC前的120度和40度之间。
当燃料注入气缸26内时,可引导燃料喷雾朝向第一和第二活塞碗44和46的表面。尤其是,引入到第一活塞碗44内的燃料可首先撞击到弧形的底表面50,并围绕弧形的底表面50朝向外弧形壁48流动,以远离弧形的底表面50朝向面42沿径向向外和向上重新定向。因为角θ大于90度,所以,燃料远离弧形的底表面50进入活塞顶28的面42以上的气缸26内的空间内向上的重新定向,不会受到阻碍。引入第二活塞碗46内的燃料可首先撞击到环形外壁54,并围绕环形外壁54朝向凸出的底表面56流动,以朝向活塞顶28的纵向轴线34向上和沿径向向内地重新定向。第一和第二活塞碗44和46表面的弧形的特性可促进燃料有控制的旋涡和将无控制的飞溅减到最小。因为燃料飞溅到第一活塞碗44内是相对于活塞顶28沿径向向外和向上,而燃料飞溅到第二活塞碗46内是朝向上和沿径向向内,所以,活塞顶28上方的空间的较大部分可用来进行混合,如果燃料仅朝向一个径向方向,则就只有向内或仅向外。
本技术领域内的技术人员将会明白,对于所揭示的内燃机和活塞还可作出各种修改和变化。考虑到本说明书和实践所揭示的内燃机和活塞后,本技术领域内的技术人员显然会有其它的实施例。本说明书和实例应被认为只是为了示范而已,其真正的范围由以下的权利要求书和其等价物予以指明。
权利要求1.一用于内燃机的活塞,该活塞包括一活塞顶,具有一带有一内部环形边缘的面;其特征在于,该活塞还包括一第一活塞碗,凹陷在活塞顶的面内,第一活塞碗具有一底表面和一外壁,一从活塞的面的内部环形边缘延伸并相切于外壁的直线与活塞顶的面形成一大于90度的内角θ;以及一第二活塞碗,凹陷在第一活塞碗的底表面内。
2.如权利要求1所述的活塞,其特征在于,内部环形边缘是圆形并连接活塞顶的面和第一活塞碗。
3.如权利要求1所述的活塞,其特征在于,还包括一内环形冷却通道,径向地设置在第一和第二活塞碗的最大直径之间。
4. 一内燃机,包括一形成多个气缸的发动机体;以及设置在各个多个气缸内的活塞顶,活塞顶具有一面;其特征在于,该活塞顶还具有一凹陷在活塞顶的面内的第一活塞碗,第一活塞碗具有一底表面和一外壁,一从活塞的面的内部环形边缘延伸并相切于外壁的直线与活塞顶的面形成一大于90度的内角θ;以及一第二活塞碗,凹陷在第一活塞碗的底表面内。
专利摘要本实用新型揭示一用于内燃机的活塞。该活塞具有一带有一面的活塞顶,该面具有一内部环形边缘。活塞还具有在活塞顶的面内呈凹陷的第一活塞碗。第一活塞碗具有一底表面和一外壁。一从活塞的面的内部环形边缘延伸并相切于外壁的直线与活塞的面形成一大于90度的内角(θ)。活塞还具有一在第一活塞碗的底表面内呈凹陷的第二活塞碗。
文档编号F02B23/06GK2926542SQ200520106580
公开日2007年7月25日 申请日期2005年8月26日 优先权日2004年10月28日
发明者D·H·莫菲特, R·L·小欧文, C·A·布朗, M·H·朗格 申请人:卡特彼勒公司

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