燃燒室的制作方法

專利名稱：燃燒室的制作方法
技術領域：
本發明涉及一燃燒室，它設計用于一壓縮點火(柴油機)的內燃機。更確切地說，本發明涉及一具有形成在其頂部的燃燒室的活塞。
背景技術：
人們已進行多種嘗試，以求在內燃機的燃燒室內產生用于空氣和燃料進料的一理想的流型。必須考慮的效果包括但不限于提供產生足夠的功率、發動機排氣中夾帶的NOx最小化以及發動機排氣中夾帶的煙塵微粒量最小化。
眾所周知，發動機設計/操作的多種變量，諸如發動機壓縮比、燃燒室形狀、燃料注入噴流形式和其他的變量，其任一變量的改變會對排放和產生的功率有影響。
發動機排氣中排出的煙塵量不雅觀，由此產生公眾壓力要求清除柴油發動機。此外，夾帶在發動機潤滑油內的煙塵量可對發動機可靠性具有有害作用。煙塵非常會引起磨蝕，從而可造成發動機的高度磨損。
此外，還有大量的壓力要求減少發動機的NOx排放。日益嚴格的管理規章要求不斷頒布了法令以減少NOx的水平。通常地，已找到一種燃燒室設計能有效地減少NOx水平而卻增加了煙塵水平，反之亦然。此外，作任一項前述的內容一般會減少發動機轉矩和功率輸出。
有許多形成在活塞頂部的燃燒室的實例。盡管有這些現有技術的設計，但人們仍持有這樣的需求既能減少NOx又能減少夾帶的煙塵，而且同時保持或提高發動機轉矩和功率輸出。
發明概要本發明的活塞基本上滿足上述的工業需求。形成在活塞頂上的燃燒室已顯示出減少煙塵夾帶物和Nox的排放，與此同時略微地增加發動機功率輸出。活塞已表明有效地用于帶有兩個或更多個閥門的氣缸頭。本發明燃燒室的另一優點是燃燒室相對于活塞的中心軸線對稱，燃燒室相對容易地在活塞的頂部形成。
本發明是一種用于柴油機的燃燒室組件，它包括一形成在活塞頂部的燃燒室，活塞具有一中心軸線，該燃燒室具有形成一柱體的一中心部分，中心部分至少部分地由一球體的一部分形成，該球體具有一半徑，球心落在活塞中心軸線上，且燃燒室還具有多個具有在鄰接平滑表面之間平滑切線過渡的曲面，平滑表面包括球形中心部分和至少一環形面，燃燒室相對于燃燒室縱向軸線對稱。本發明還包括一具有前述燃燒室組件的活塞以及形成前述燃燒室的方法。
附圖的簡要說明

圖1是本發明的活塞的截面圖；圖2是現有技術活塞和燃燒室的功率與本發明的活塞和燃燒室的功率的比較的圖示；圖3是由現有技術活塞和燃燒室產生的NOx和本發明的活塞和燃燒室產生的NOx的比較的圖示；圖4是由現有技術活塞和燃燒室產生的煙塵和本發明的活塞和燃燒室產生的煙塵的比較的圖示；圖5是本發明的第二實施例的活塞的截面圖；圖6是現有技術活塞和燃燒室的功率與本發明第二實施例的活塞和燃燒室的功率的比較的圖示；圖7是由現有技術活塞和燃燒室產生的NOx和本發明第二實施例的活塞和燃燒室產生的NOx的比較的圖示；圖8是由現有技術活塞和燃燒室產生的煙塵和本發明第二實施例的活塞和燃燒室產生的煙塵的比較的圖示；圖9是本發明的第三實施例的活塞的截面圖；圖10是由現有技術活塞和燃燒室產生的NOx和本發明第三實施例的活塞和燃燒室產生的NOx的比較的圖示；圖11是由現有技術活塞和燃燒室產生的煙塵和本發明第三實施例的活塞和燃燒室產生的煙塵的比較的圖示；圖12是本發明的第四實施例的活塞和燃燒室的截面圖；圖13是對于現有技術發動機經驗數據的曲柄角的壓力B0(同一發動機的一種模擬以體現模擬有效性)，與一帶有本發明的第四實施例的活塞和燃燒室的發動機的模擬B44a的圖示；圖14是由現有技術B0活塞和燃燒室產生的NOx和本發明第四實施例B44a的活塞和燃燒室產生的NOx的比較的圖示；圖15是由現有技術B0活塞和燃燒室產生的煙塵和本發明第四實施例B44a的活塞和燃燒室產生的煙塵的比較的圖示；圖16是本發明的第五實施例的活塞和燃燒室的截面圖；圖17是對于現有技術發動機經驗數據的曲柄角產生的Nox的B0(同一發動機的一種模擬B0以體現模擬有效性，基本上重疊經驗數據)，與一帶有本發明的第五實施例的活塞和燃燒室的發動機的模擬的B27的圖示；以及圖18是由現有技術B0活塞和燃燒室產生的煙塵和本發明第五實施例B27的活塞和燃燒室產生的煙塵的比較的圖示。
附圖的詳細說明第一實施例本發明的活塞在圖1中通常以標號″10″示出。活塞10的頂部12部分形成活塞10的頂部邊距。本發明的燃燒室14形成在頂12內。應該注意到燃燒室14相對于縱向軸線16對稱，且縱向軸線16與活塞10的中心軸線重合。下面將描述的各種半徑(R)、直徑(D)和高度(H)在圖1的描繪中清晰地示出。
本發明的活塞10主要地設計用于重型柴油機，但也適用于較輕型柴油機。活塞10可使用2閥或多閥的頭。理想的是，燃料在接近活塞中心處噴出，且噴射圖案沿徑向對稱。在一較佳的實施例中，噴射器噴射出一燃料噴霧流，它具有6股相對軸線16等角度地排出的細噴霧流。
形成在活塞10的頂12內的燃燒室14由包括球面和環形面的曲面組成。球面由半徑RS表示，且環形面由半徑R表示。燃燒室14沒有平的表面。在形成燃燒室14的各種曲面之間有一平滑的、切線的過渡，下面將更詳細地描述。
通常，燃燒室14由兩球面RS1和RS2組成，球面RS1形成一中心球柱17。兩球面RS1和RS2由在燃燒室14底部的環形面R1連接。球面RS2由兩環形面R2、R3過渡到活塞頂部12，環形面具有相對小的彎曲，且與頂部12形成一凹腔連接。直徑尺寸以D示出，而高度尺寸以H示出。
已有許多控制燃燒室14幾何形狀的參數，由此，可控制柴油機燃燒性能以及NOx和煙塵的排放。由半徑RS1形成的一部分球面位于燃燒室14的中心空間(中心部分)。球面RS1的球心18位于活塞10的中心軸線16上。球面RS1的球心18和軸線16與燃燒室14的底表面20的交點之間的距離等于或大于0，并應小于0.25D2。如圖1所描述，球心1 8在燃燒室14的軸線16和燃燒室14的底表面20的交點22上。換言之，球心18與交點22重合。這是球心18在燃燒室14的軸線16與燃燒室的底表面20的交點22上的較佳的部署，但在球心1與和交點22之間也可有一垂直的高度距離。
具有半徑RS2的第二球面位于第一(中心部分)球面RS1的外側，并部分形成燃燒室14的一外部邊距(outer margin)。外部邊距球面RS2具有一在中心軸線16上的球心23。中心部分球面RS1與外部邊距球面RS2的對應的兩個球心22，23之間的距離等于或大于0.0且小于±2(R1)。較佳地，所述的距離為零，兩球心22，23同心，且較佳地位于燃燒室14的中心軸線16和底表面20的交點。應該注意到當球心23相對于球心22提升時距離值是正的，圖1示出一正的距離H1。此外，RS2/RS1的比值等于或大于1.0，并小于3.0。RS2/RS1較佳地約為2.0，尤其是2.073。
以下的比值限定燃燒室14的某幾個參數。
a.RS1/D2的比值大于0.10，并小于0.45，且較佳地為0.253。
b.D2/D1的比值大于0.45，并小于0.85，且較佳地為0.619。
c.D3/D2的比值大于0.75，并小于0.95，且較佳地為0.849。
d.H/D2的比值大于0.15，并小于0.45，且較佳地為0.337。
e.R1/D2的比值大于0.11，并小于0.45，且較佳地為0.136。
f.R2/D2的比值大于0.0，并小于0.35，且較佳地為0.11。
g.R3/D2的比值大于0.0，并小于0.2，且較佳地為0.14。
如前所述的燃燒室14由球面和環形面結合組成。應該注意到，RS1與R1之間的過渡是平滑的和切線的，R1與RS2之間的過渡是平滑的和切線的，RS2與R2之間過渡是平滑的和切線的，以及R2與R3之間的過渡是平滑的和切線的。因此，沒有平的表面來形成燃燒室14。如前所述的曲線和平滑過渡促使燃燒室14內的平穩流動，并用來減少在燃燒室14內的熱載荷。此外，燃燒室14相對于軸線16對稱。因此，與形成在一活塞內的一不對稱的燃燒室相比，遠較容易地轉動(turn)燃燒室14。
還應該認識到半徑R2、R3在與頂12相交處形成一凹腔燃燒室14，顯然不同于一些現有技術描述的開口的燃燒室。
在圖2-4中示出燃燒性能的改進和污染物排放的減少。參照圖2，功率輸出是每一曲線之下的區域。一已知的燃燒室的一第一實際的實驗以曲線24示出。接近曲線24的峰值，已知的燃燒室的模擬軌跡導致曲線24緊密地與曲線24重疊。緊密地與曲線24重疊的軌跡26證實了模擬的正確性。接著，該相同的模擬用于模擬燃燒室14的性能。燃燒室14的模擬以曲線28示出。應該注意到在曲線28下方的區域比曲線24下方的區域略大，說明從燃燒室14的輸出比已知的燃燒室的功率輸出略大。
圖3示出一已知燃燒室產生的NOx(如線26所示)以及本發明的燃燒室14產生的NOx的模擬結果(如線28所示)。應該注意到本發明的燃燒室14所產生的NOx明顯地小于線6所示的已知燃燒室產生的NOx。
圖4示出一已知的燃燒室產生的模擬的煙塵(如線26所示)與本發明的燃燒室14產生的模擬的煙塵(如線28所示)的比較。應該注意到本發明的燃燒室14所產生的煙塵明顯地小于已知燃燒室產生的煙塵。應該明顯地注意到參照圖2-4，燃燒室14與已知的燃燒室相比，其導致功率輸出增加且同時減少了燃燒室產生的NOx和煙塵。
第二實施例本發明的活塞在圖5中通常以標號″210″示出。活塞210的頂212部分形成活塞210的頂部邊距。本發明的燃燒室214形成在頂部212內。應該注意到燃燒室214相對于縱向軸線216對稱，且縱向軸線216與活塞210的中心軸線重合。下面將描述的各種半徑(R)、直徑(D)和高度(H)在圖5的描繪中清晰地示出。
本發明的活塞210主要地設計用于重型柴油機，但也適用于較輕型柴油機。活塞210可使用2閥或多閥的頭。理想的是燃料在接近活塞中心處噴出，且噴射圖案沿徑向對稱。在一較佳的實施例中，噴射器噴射出一燃料噴霧流，它具有6股相對軸線216等角度地排出的細噴霧流。
形成在活塞210的頂部212內的燃燒室214由包括球面和環形面的曲面組成。燃燒室214沒有平的表面。在形成燃燒室214的各種曲面之間有一平滑的、切線的過渡，下面將更詳細地描述。
已有許多控制燃燒室214幾何形狀的參數，由此，能控制柴油機燃燒性能以及NOx和煙塵的排放。由半徑R1形成的一部分球面位于燃燒室214的中心空間，并形成一中心球柱217。球面R1的球心218位于活塞210的中心軸線216上。球面R1的球心218與軸線216與燃燒室214的底表面220的交點之間的距離等于或大于0，并應小于0.2D。如圖5所描述，球心218在燃燒室214的軸線216和燃燒室214的底表面220的交點222上。換言之，球心218與交點222重合。這是球心218在燃燒室214的軸線216與燃燒室的底表面220的交點222上的較佳的部署，但在球心218與交點222之間也可有一垂直的高度距離。
以下的比值限定燃燒室214的某幾個參數。
a.D1/D的比值大于0.49，并小于0.81，且較佳地為0.6065。
b.D2/D1的比值大于0.81，并小于0.99，且較佳地為0.908。
c.H1/D1的比值大于0.17，并小于0.47，且較佳地為0.344。
d.H2/H1的比值大于0.05，并小于0.45，且較佳地為0.253。
e.R1/D1的比值大于0.13，并小于0.43，且較佳地為0.257。
f.R2/D1的比值大于0.09，并小于0.25，且較佳地為0.133。
g.R3/D1的比值大于0.17，并小于0.55，且較佳地為0.36。
h.R4/D1的比值大于0.08，并小于0.33，且較佳地為0.142。
i.R5/D1的比值大于0.01，并小于0.02，且較佳地為0.14。
如前所述的燃燒室214由球面和環形面結合組成。球面R1由半徑R1形成。環形面由半徑R2-R5形成。應該注意到球面R1與環形面R2之間的過渡是平滑的和切線的，環形面R2與環形面R3之間的過渡是平滑的和切線的，環形面R3與環形面R4之間過渡是平滑的和切線的，以及環形面R4與環形面R5之間的過渡是平滑的和切線的。因此，沒有平的表面來形成燃燒室214。如前所述的曲線和平滑過渡促使燃燒室214內的平穩流動，并用來減少在燃燒室214內的熱載荷。此外，燃燒室214相對于軸線216對稱。因此，與形成在一活塞內的一不對稱的燃燒室相比，遠較容易地轉動燃燒室214。
還應該認識到面R3-R5形成一凹腔燃燒室214，明顯不同于現有技術描述的開口的燃燒室。
在圖6-8中示出了燃燒性能的改進和污染物排放的減少。參照圖6，功率輸出是每一曲線之下的區域。一已知的燃燒室的一第一實際的實驗以曲線224示出。接近曲線224的峰值，已知的燃燒室的模擬軌跡產生曲線224緊密地與曲線224重疊。緊密地與曲線224重疊的軌跡226證實了模擬的正確性。接著，該相同的模擬用于模擬燃燒室214的性能。燃燒室214的模擬以曲線228示出。應該注意到在曲線228下方的區域比曲線224下方的區域略大，說明從燃燒室214的輸出比已知的燃燒室的功率輸出略大。
圖7示出一已知燃燒室產生的NOx(如線226所示)以及本發明的燃燒室214產生的NOx的模擬結果(如線228所示)。應該注意到本發明的燃燒室214所產生的NOx明顯地小于線226所示的已知燃燒室產生的NOx。
圖8示出一已知的燃燒室產生的模擬的煙塵(如線226所示)與本發明的燃燒室214產生的模擬的煙塵(如線228所示)的比較。應該注意到本發明的燃燒室214所產生的煙塵明顯地小于已知燃燒室產生的煙塵。應該明顯地注意到參照圖6-8，燃燒室214與已知的燃燒室相比，它導致功率輸出增加且同時減少燃燒室產生的NOx和煙塵。
第三實施例本發明的活塞和本發明的燃燒室在圖9中通常以標號″310″，″314″示出。通常，活塞310具有一中心定位的對稱的朝上的凹穴，它用來形成在柴油機的汽缸內燃燒皿的一主要部分，發動機具有一用于形成一燃料噴射流的燃料噴射器。活塞310可使用2閥或多閥的頭。理想的是燃料在接近活塞310中心處噴出，且噴射圖案沿徑向對稱。在一較佳的實施例中，噴射器噴射出一燃料噴霧流，它具有6股相對軸線316等角度地排出的細噴霧流。帶有燃燒室314的活塞310有效減少了諸如NOx和煙塵的柴油機污染物排放。活塞310較佳地適用于重型和中型柴油機。
活塞310的頂部312部分形成活塞310的頂部邊距。本發明的燃燒室314形成在頂部312內。應該注意到燃燒室314相對于室的縱向軸線316對稱，且縱向軸線316與活塞310的中心軸線重合。下面將描述的各種半徑(R)、直徑(D)和高度(H)在圖9的描繪中清晰地示出。
形成在活塞310的頂部312內的燃燒室314由包括球面和環形面的曲面組成。球面由半徑RS表示，且可能是環形面的曲面由半徑R指示。燃燒室314沒有平的表面。在形成燃燒室314的各種曲面之間有一平滑的，一般為切線的過渡，下面將更詳細地描述。
通常，燃燒室314由兩球面RS1和RS2組成，RS1形成一凸球面，且RS2形成一凹球面。球面RS1形成在形成一中心短柱317的燃燒室314的中心，同時球面RS2在球面RS1外面沿徑向形成。兩球面RS1和RS2由在燃燒室314底部具有半徑R2的一小的環形面連接。燃燒室側壁由一具有R1半徑的曲環形面形成。側壁曲面R1由一具有半徑R3的曲面連接至球面RS2。側壁曲面R1借助于一小的曲面(諸如，R4)過渡至與頂部312相交的交點。
已有許多控制燃燒室314幾何形狀的參數，由此，能控制柴油機燃燒性能以及NOx和煙塵的排放。由半徑RS1形成的凸球面RS1位于燃燒室14的中心底空間(中心部分)。球面RS1的球心318位于較佳地與活塞310的縱向軸線重合的燃燒室縱向軸線316上。球面RS1的球心318和軸線316與燃燒室314的底表面320的交點之間的距離等于或大于0(如圖9中所示，從球心向上測量的距離為正值)，并應小于0.3D1(D1為活塞310的直徑)。所述的距離較佳地為零，其中，球心318與底表面320和軸線16的交點322重合。
具有直徑RS2的凹球面使其球心324在軸線316上，且如圖9所示，在活塞310的上方。球面RS2的球心324與底表面320和軸線316的交點322之間的距離等于或大于1.0D1，并小于8.0D1，且較佳地為2.5D1(如圖9所示，從底表面320和軸線316的交點向上測量的距離為正值)。
以下的比值限定了燃燒室314的某幾個參數，D2為燃燒室314的最大直徑，D3為燃燒室314在與頂312的交點處的直徑，H1為燃燒室314的最大高度，以及H2為從凸球面RS1的頂點至頂312的高度。
a.RS1/D2的比值大于0.11，并小于0.44，且較佳地為0.245。
b.RS2/D2的比值大于1.5，并小于30.0，且較佳地為3.432。
c.D2/D1的比值大于0.42，并小于0.88，且較佳地為0.635。
d.D3/D2的比值大于0.7，并小于0.995，且較佳地為0.832。
e.H1/D2的比值大于0.13，并小于0.49，且較佳地為0.318。
f.H2/D2的比值大于0.005，并小于0.49，且較佳地為0.073。
g.R1/D2的比值大于0.11，并小于0.65，且較佳地為0.412。
h.R2/D2的比值大于0.01，并小于0.33，且較佳地為0.068。
i.R3/D2的比值大于0.01，并小于0.33，且較佳地為0.068。
如前所述的燃燒室314的曲線和平滑過渡促使燃燒室314內的平穩流動，并用來減少在燃燒室314內的熱載荷。此外，燃燒室314相對于軸線316對稱。因此，與形成在一活塞內的一不對稱的燃燒室相比，遠較容易地轉動燃燒室314。
在圖10和圖11中示出燃燒性能的改進和污染物排放的減少。圖10示出一已知燃燒室產生的NOx(如線328所示)以及本發明的燃燒室314產生的NOx的模擬結果(如線330所示)。應該注意到本發明的燃燒室314所產生的NOx(線330)明顯地小于線328所示的已知燃燒室產生的NOx。
圖11示出一已知的燃燒室產生的模擬的煙塵(如線328所示)與本發明的燃燒室314產生的模擬的煙塵(如線330所示)的比較。應該注意到本發明的燃燒室314所產生的煙塵(線330)明顯地小于已知燃燒室產生的煙塵(線328)。
第四實施例本發明的活塞和燃燒室在圖12中通常各自地以標號″410″，″414″示出。通常，活塞410具有一中心定位的對稱的朝上的凹穴，它用來形成在柴油機的汽缸內一完整的燃燒室的一部分。燃燒室414形成在活塞410的頂部412內。發動機具有一用于形成相對燃燒室414的一燃料噴射流的燃料噴射器。活塞410可使用2閥或多閥的頭。理想的是燃料在接近活塞410中心處噴出，且噴射圖案相對于軸線416沿徑向對稱。活塞410有效減少了諸如NOx和煙塵的柴油機污染物排放(如圖14和15的曲線所示)。活塞410較佳地適用于重型和中型柴油機。
活塞410的頂部412部分形成活塞410的頂部邊距。本發明的燃燒室414形成在頂部412內。應該注意到燃燒室414相對于燃燒室縱向軸線416對稱，且縱向軸線416與活塞410的中心軸線較佳地重合。下面將描述的各種半徑(R)、直徑(D)和高度(H)在圖12的描繪中清晰地示出。RS表示球面半徑，且環形面由半徑R指示。
活塞410的燃燒室414由包括球面和環形面的曲面組成。燃燒室414沒有平的表面。在形成燃燒室414的各種曲面之間有一平滑的，一般為切線的過渡，下面將更詳細地描述。
通常地，燃燒室414由三個參數的四個組合組成，如圖12所示，它們包括(1)直徑組(group)；(2)球形組；(3)高度組；以及(4)環形組。
直徑組包括三個直徑參數，其中，D1是活塞410的直徑，D2是燃燒室414的直徑，以及D3是燃燒室414與頂412相交的燃燒室414的凹腔的直徑。球形組包括分別具有半徑RS1、RS2和RS3的三個球面。高度組包括三個高度參數，其中，H1是燃燒室414的深度，H2是活塞頂部412和凸球面RS1的頂點之間的距離，以及H3是燃燒室414的凹腔的厚度。環形組包括分別包括半徑R1、R2和R3的三個環形面。
凸球面RS1位于形成一中心短柱417的燃燒室414底部的中心處。兩球面RS2和RS3分別形成燃燒室414的側壁。兩球面RS1和RS2由環形面R1連接。環形面R1形成燃燒室414的底部。兩球形面RS2和RS3由一小的環形面R2連接，因此，在兩球面RS2與RS3之間形成一平滑的過渡。球面RS3借助于一小的環形面R3過渡到頂部412。三個球面RS1、RS2和RS3的中心都位于燃燒室縱向軸線416上，形成燃燒室414的中心線。
以下諸參數的相互關系控制了燃燒室14的幾何形狀以及使用活塞410和燃燒室414的柴油機的排放結果。
a.D2/D1的比值大于0.43，并小于0.83，且較佳地為0.631。
b.D3/D2的比值大于0.68，并小于0.998，且較佳地為0.883。
c.RS1/D1的比值大于0.08，并小于0.38，且較佳地為0.181。
d.RS2/D2的比值大于0.16，并小于0.56，且較佳地為0.364。
e.RS3/D1的比值大于0.18，并小于0.48，且較佳地為0.282。
f.H1/D2的比值大于0.12，并小于0.52，且較佳地為0.321。
g.H2/D1的比值大于0.006，并小于0.256，且較佳地為0.056。
h.H3/D1的比值大于0.01，并小于0.45，且較佳地為0.05。
i.R1/D1的比值大于0.02，并小于0.28，且較佳地為0.081。
j.R2/D1的比值等于或大于0，并小于0.31，且較佳地為0.017。
k.R3/D1的比值等于或大于0，并小于0.31，且較佳地為0.009。
如前所述的燃燒室414的曲線和平滑過渡促使燃燒室414內的平穩流動，并用來減少在燃燒室414內的熱載荷。此外，燃燒室414相對于軸線416對稱。因此，與形成在一活塞內的一不對稱的燃燒室相比，遠較容易地轉動燃燒室414。
圖13示出由汽缸內壓力指示的燃燒性能的比較，其中，壓力曲線下方的區域代表一柴油機的功率輸出。應該認識到在圖13，14和15中，現有技術發動機的模擬結果和現有技術發動機的實驗結果基本一致，說明了模擬的準確性。回到圖13中，本發明的壓力曲線B44a比現有技術發動機的壓力曲線B0略大，這說明本發明發動機的性能比現有技術發動機的性能略好，本發明的功率輸出比現有技術發動機略大。
在圖14和圖15中示出燃燒性能的改進和污染物排放的減少。圖14示出了一已知燃燒室產生的NOx(如線B0所示)以及本發明的燃燒室414產生的NOx的模擬結果(如線B44a所示)。應該注意到本發明的燃燒室414所產生的NOx明顯地小于線B0所示的已知燃燒室產生的NOx。
圖15示出一已知的燃燒室產生的模擬的煙塵(如線B0所示)與本發明的燃燒室414產生的模擬的煙塵(如線B44a所示)的比較。應該注意到本發明的燃燒室414所產生的煙塵(線B44a)明顯地小于已知燃燒室產生的煙塵(線B0)。
第五實施例本發明的活塞和燃燒室在圖16中通常各自地以標號″510″，″512″示出。通常，活塞510具有一中心定位的對稱的朝上的凹穴，它用來形成在柴油機的汽缸內的燃燒室的一部分。燃燒室512形成在活塞510的頂部512內。發動機具有用于形成相對燃燒室512一燃料噴射流的燃料噴射器。活塞510可使用2閥或多閥的頭。活塞510有效減少了諸如NOx和煙塵的柴油機污染物排放，如圖17和18的圖示所示。活塞510較佳地適用于重型和中型柴油機。
活塞510具有一對稱的朝上開口燃燒室512，它用來形成在柴油機的汽缸內一完整的燃燒室的一主要部分，發動機具有一用于形成一燃料噴射流的燃料噴射器，以便減少諸如NOx和煙塵的柴油機污染物排放而不損害燃料經濟性和功率輸出。
燃燒室512位于柴油機的活塞頂部514內，且主要地包括一組球面，如圖16所示。使同中心516位于燃燒室軸線518上的兩球面RS1和RS2形成燃燒室512的主要部分。內球面RS1位于燃燒室512的中心底部，以形成一短柱520，且具有一RS1的半徑。外球面RS2形成燃燒室512的側壁的下部，并具有一RS2的半徑。具有RS3半徑的一第三球面RS3形成燃燒室512的外部底部邊距。具有RS4半徑的一第四球面RS4形成燃燒室512的側壁的較高部分。
四個小的環形面R1-R4作為鄰近球面之間過渡面和與頂部514的連接。內球面RS1和外底部球面RS3由具有R1半徑的一環形面連接。下側壁球面RS2和外底部球面RS3由具有R2半徑的一環形面連接。下側壁球面RS2和上側壁球面RS4由具有半徑R3的一環形面連接。較高側壁球面RS4通過具有半徑R4的一小的環形面R4過渡至或再接入活塞頂部514。
球面RS1和RS2的球心彼此重合，就是說，它們具有一共同中心516，且該共同中心516位于燃燒室512的中心軸線518上。球面RS1和RS2的共同中心516與燃燒室軸線518和燃燒室底表面522交點之間的距離等于或大于0，且小于0.28D1，D1為活塞的直徑，且較佳地為0.073D1。球面RS3的球心位于燃燒室的中心軸線518上，且球面RS3的球心與燃燒室軸線518和燃燒室512的底表面522的交點之間的距離大于0.75D1，并小于3.0D1，且較佳地為2.178D1。球面RS4的球心位于燃燒室512的中心軸線518上，且球面RS4的球心與燃燒室軸線518和活塞510的頂514的交點之間的距離等于H3。H3/D1的比值大于0.02，并小于0.42，且較佳地為0.051。
燃燒室512的中心軸線518可與活塞510的中心軸線524重合，或具有一偏移量，就是說，燃燒室512的中心軸線518與活塞510的中心軸線524之間的距離H4等于或大于0，并小于0.1D1，且較佳地為0。較佳地，軸線518和524重合。
諸參數的其他的關系也控制了燃燒室的幾何形狀以及柴油機的燃燒性能和柴油機內的排放物，如以下所列1.D2/D1的比值大于0.43，并小于0.83，且較佳地為0.637，D2為燃燒室的最大直徑。
2.D3/D1的比值大于0.33，并小于0.83，且較佳地為0.548，D3為燃燒室的最小直徑。
3.RS1/D1的比值大于0.05，并小于0.35，且較佳地為0.18。
4.RS2/D1的比值大于0.23，并小于0.53，且較佳地為0.334。
5.RS3/D1的比值大于1.18，并小于4.18，且較佳地為2.18。
6.RS4/D1的比值大于0.18，并小于0.38，且較佳地為0.28。
7.H1/D1的比值大于0.1，并小于0.4，且較佳地為0.2，H1為燃燒室的深度。
8.H2/D1的比值大于0.04，并小于0.24，且較佳地為0.144，H2為活塞的高度。
9.環形面R1的半徑等于環形面R2的半徑。R1/D1和R2/D1的比值都大于0.03，并小于0.25，且較佳地為0.051。
10.環形面R3和R4的半徑非常小。因此，R3/D1和R4/D1的比值都大于0，并小于0.1。
如前所述的燃燒室512的曲線和平滑過渡促使燃燒室512內的平穩流動，并用來減少在燃燒室512內的熱載荷。此外，燃燒室512較佳地相對于活塞軸線524對稱，但可偏移如圖16所示的距離H4。因此，與形成在一活塞內的一不對稱的燃燒室相比，遠較容易地轉動(形成)燃燒室512。
應該認識到在圖17和18中，現有技術發動機的模擬結果和現有技術發動機的實驗結果基本一致(經驗軌跡和模擬軌跡，B0和B0基本重合)，說明了模擬的準確性。在圖17和圖18中示出燃燒性能的改進和污染物排放的減少。圖17示出一已知燃燒室產生的NOx(如線B0所示)以及本發明的燃燒室512產生的NOx的模擬結果(如線B27所示)。應該注意到本發明的燃燒室512所產生的NOx明顯地小于線B0所示的已知燃燒室產生的NOx。
圖18示出一已知的燃燒室產生的模擬的煙塵(如線B0所示)與本發明的燃燒室512產生的模擬的煙塵(如線B27所示)的比較。應該注意到燃燒室512所產生的煙塵(線B27)明顯地小于已知燃燒室產生的煙塵(線B0)。
顯然，本技術領域內的那些熟練人士會認識到，除了在此描述的實施例之外，在本申請的范圍和寬度內還可指出其它各種實施例。因此，本申請人意圖僅由附后的權利要求書予以限定。
權利要求
1.一種用于柴油機內的燃燒室組件包括一形成在一活塞頂部的燃燒室，該活塞具有一中心軸線，該燃燒室具有形成一柱體的一中心部分，該中心部分至少部分地由一球體的一部分形成，該球體具有一半徑，球心落在活塞中心軸線上；燃燒室還具有多個具有在諸鄰接的平滑表面之間平滑切線過渡的曲面，平滑表面包括球形中心部分和至少一環形面，燃燒室相對于燃燒室縱向軸線對稱。
2.如權利要求1所述的燃燒室組件，其特征在于，中心部分球面的球心位于燃燒室的底表面或位于燃燒室的底表面的下方。
3.如權利要求2所述的燃燒室組件，其特征在于，中心部分球面的球心與底表面和活塞中心軸線的交點重合。
4.如權利要求1，2和3中任一項所述的燃燒室組件沒有平的表面。
5.如權利要求1所述的燃燒室組件，其特征在于，一曲面形成一與活塞頂部接界的凹形面。
6.如權利要求1所述的燃燒室組件，其特征在于，燃燒室的底表面由一與柱體結合的球面形成。
7.如權利要求1所述的燃燒室組件，其特征在于，燃燒室的底表面由一與柱體結合的環形面形成。
8.如權利要求6和7所述的燃燒室組件，其特征在于，燃燒室的側壁面由連接至底表面的一球面形成。
9.如權利要求6和7所述的燃燒室組件，其特征在于，燃燒室的側壁面由連接至底表面的一環形面形成。
10.一種用于柴油機內的活塞，它具有如權利要求1所述的燃燒室組件。
11.一種形成一用于柴油機內的燃燒室組件的方法包括在一活塞頂部形成一燃燒室，該活塞具有一中心軸線；形成一具有一燃燒室中心部分的柱體；中心部分至少部分地由一球體的一部分形成，該球體具有一半徑；使球心設置在活塞的中心軸線上；形成燃燒室，該燃燒室還具有多個具有在諸鄰接的平滑表面之間平滑切線過渡的曲面，平滑表面包括球形中心部分和至少一環形面；以及使燃燒室相對于燃燒室縱向軸線對稱地設置。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，包括設置中心部分球面的球心，該球心在燃燒室的底平面內或位于燃燒室底平面下方。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，包括設置中心部分球面的球心，該球心與底平面和活塞中心軸線的交點重合。
14.如權利要求11，12和13所述的方法，其特征在于，包括形成的燃燒室沒有平的表面。
15.如權利要求11所述的方法，其特征在于，包括用一曲面形成一與活塞頂部接界的凹形面。
16.如權利要求11所述的方法，其特征在于，包括由一與柱體結合的球面形成燃燒室的一底表面。
17.如權利要求11所述的方法，其特征在于，包括由一與柱體結合的環形面形成燃燒室的一底表面。
18.如權利要求16和17所述的方法，其特征在于，包括由連接至底表面的球面形成燃燒室的一側壁面。
19.如權利要求16和17所述的方法，其特征在于，包括由連接至底表面的環形面形成燃燒室的一側壁面。
全文摘要
一諸用于柴油機的燃燒室組件，它包括一形成在活塞(10)頂部(12)的燃燒室(14)，該活塞(10)具有一中心軸線(16，18，518，524)，該燃燒室(14)具有形成一柱體的一中心部分，該中心部分至少部分地由一球體的一部分形成，該球體具有一半徑，球心落在活塞中心軸線(16，18，518，524)上，且燃燒室(14)還具有多個具有在諸鄰接的平滑表面之間平滑切線過渡的曲面，平滑表面包括一球形中心部分和至少一環形面，燃燒室(14)相對于燃燒室縱向軸線(16，216，316，416)對稱。本發明還包括一具有前述燃燒室(14)的活塞(10)以及一形成燃燒室(14)用的方法。
文檔編號F02B3/06GK1556894SQ02818475
公開日2004年12月22日 申請日期2002年7月18日 優先權日2001年7月23日
發明者Z·劉, Z 劉, X·貴 申請人:萬國引擎知識產權有限責任公司