專利名稱：：低排放柴油機活塞的制作方法
技術領域：
：本發明涉及具有改良的燃燒凹窩(combustionbowl)構型的柴油機活塞。
背景技術：
：在涉及柴油機機車的領域已知，為了降低排放，未來的政府排放條例需要改進機車設計以符合或者超過這些條例。例如，增強的空氣系統設計可以提供更高的冷卻EGR(廢氣再循環)速率，從而降低N0x排放，同時增強的燃料噴射系統可以降低使用更高EGR速率所導致的不可避免的較高煙灰排放。并且，合并的煙灰和NOx排放后處理系統可以降低柴油機機車的排放。然而，廢氣后處理系統可能時非常昂貴的，因此，不是實現排放降低的最合意方法。與此相對應，燃燒系統設計的進步可以降低排放，同時最小化對昂貴和未證實的柴油機排氣后處理系統的需求。此外，燃料經濟性、尾氣排放和柴油機燃燒系統的性能可以通過機車活塞的設計以及燃料噴射和通風設備(例如，渦輪換氣、EGR系統等等)的選擇得到顯著實現。因此，柴油機活塞設計的改進可以有利地導致降低的排放，同時不會產生顯著的成本增加。
發明內容本發明提供改良的柴油機燃燒凹窩設計，其使得燃燒產物與氣缸內可利用的過量空氣得到了增強的混合，同時降低了煙灰和N(X排放。更特別而言，本發明提供了具有改良凹窩設計的活塞，與先前燃燒凹窩設計相比，所述凹窩設計略微深和凹腔較小。所迷改良的凹窩設計導致了NOx氣體形成的降低。本發明還實現了煙灰(即，顆粒物質)與N0x排放以及燃料消耗與N0x排放的優良平衡。在一種實施方案中，機車活塞具有冠部和限定在x-y-z坐標空間內的三維形狀。z-軸通常限定活塞的氣缸軸，和平面z=0通常與冠部的上邊沿相交。活塞包括在冠部中開槽的燃燒凹窩。燃燒凹窩具有在z-軸上的中心點，和具有由在x-y-z坐標空間內連接坐標點(Xi，Yi,ZJ的周向線限定的部分二維截面構型，其中坐標點包括坐標集內的點。燃燒凹窩具有通過關于z-軸旋轉周向線360。而限定的三維軸對稱構造。在另一實施方案中，燃燒凹窩可以具有連接來源于坐標集內(Xi,yi，Zi)坐沖示點的x—y—z坐標空間內的坐才示點(aXi土abiXi,ayi士ac;yi,aZi土adiZi)限定的部分二維截面構造。變量"a"表示比例因子，變量"bi"、"Ci，，和"di"表示基于設備限制因素和材料耐用性限制因素的誤差因子。在任一上述實施方案中，冠部上邊沿之間的燃燒室周向線的邊緣部分可以具有l.5，a毫米和2.5*&毫米的曲度，在第一實施方案中"a"等于l。通過以下本發明某些具體實施方案說明結合附圖，本發明的這些和其他特征以及本發明優點將會得到更充分地理解。圖1是設置在機車氣缸孔內的現有技術活塞的側面剖視圖；圖2是圖解根據本發明的活塞凹窩線性截面構型的二維視圖；圖3是比較圖2活塞凹窩構型與現有技術活塞凹窩構型的二維圖形；圖4是圖解說明根據本發明活塞凹窩的另一實施方案的二維圖形；和圖5是比較圖2的活塞凹窩構型與已經通過因子縮小尺寸的根據本發明的另一活塞凹窩的二維圖形。具體實施方式12的已知柴油機。現有技術活塞16在氣缸12內沿中心軸18可以往復運動。活塞16通常具有中心定位于軸18上的圓柱形構造，并且包括冠部具有通常平面的從側壁27上向內延伸并且通常限定活塞16的頂部的上邊沿26。圓形燃燒凹窩28在冠部邊沿24內的冠部20上開槽并且中心定位于中心軸18上。從燃料噴射器(未顯示)中噴射的燃料從中心軸18噴出，朝向燃燒凹窩28的邊緣。本發明涉及用于代替現有技術活塞16中所示的凹窩28的燃燒凹窩的改良構型。參考圖2，根據本發明的活塞30包括冠部31,并且具有限定在x-y-z坐標空間內的三維形狀。坐標空間中的z-軸通常限定活塞30的中心圓柱軸32。坐標空間內的平面z=0通常相交冠部上邊沿34。所述活塞30包括燃燒凹窩36。燃燒凹窩36的中心點38位于z-軸上。燃燒凹窩36是軸對稱的(關于z-軸)，并且在x-y-z坐標空間內，具有由連接坐標點(x,,yi，zj的周向線40限定的部分二維相交構型。示于圖2中的二維圖形為位于平面y=O內的x-z柵格。有序變量"i"表示ln的整數，"n"為沿周向線40的全部坐標點數值。換言之，沿周向線40的坐標點包括點(x，y，Zi)，(x2，y2，z2)，…，(xn,yn,zn)。沿周向線40的坐標點(Xi,yi,Zi)包括列于限定坐標集S的下表中的坐標點。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>1344.80170.0000-8.02911354.40960.0000-7.9427H64.02630.0000-7.86511373.65050.0000-7.79581383,28110.0000-7.73441392.91660.0000-7.68031402.55580.0000-7.63331412.19720.0000-7.59311421.83940.0000-7.55931431.48060.0000-7.53191441.11920.0000-7.51061450.75340.0000-7.49541460.38110.0000-7.48621470,00000.0000-7.4832坐標點(Xi,yi，z,)的值表示長度，單位為毫米。例如，坐標(28.9533,0.0000，-1.1371)表示在x-y-z坐標點空間內，x-方向為+28.9533mm，y-方向為O.0000mm,和z—方向為-1.1371mm的點。由周向線40所表明的凹窩設計是軸對稱的，因此，為了圖解說明凹窩設計的形狀，僅僅需要顯示z-軸右側或者左側的凹窩36的構型。例如，在圖2中，顯示了z-軸右側的燃燒凹窩36的構型。通過關于z-軸旋轉周向線40360度，可以獲得燃燒凹窩36的三維構型。從圖2中可以看出，燃燒凹窩36的外部寬度(或者直徑)通常圍繞60毫米的近似值變化，和其深度通常為大約7.5~17毫米。此外，如圖2中所示，在具體實施方案中，冠部31的側壁41的半徑為大約50.979毫米。相應地，在該實施方案中，容納活塞30的氣缸孔的直徑大約為103毫米。如圖3所示，本發明燃燒凹窩36和現有技術燃燒凹窩28的構型的對比說明，與現有技術相比，本發明燃燒凹窩構型較深并且凹腔較小。本發明燃燒凹窩36由周向線40表示，而現有技術燃燒凹窩28由周向線42表示。本發明燃燒凹窩36的這些設計特征提供了降低的煙灰和N(X排放，同時還降低了燃料消耗，如下所詳述。方案中，通常設置在坐標點(30.4087，0，O)和(28.9087,0，-1.5000)之間的凹窩136的周向線140的邊緣部分144的曲率半徑R可以為1.5毫米~2.5毫米。燃燒凹窩136另外具有與圖2和以上所述的燃燒凹窩36的相同特征。換言之，與冠部131的上邊沿134相鄰的燃燒凹窩136的邊緣144可以以比圖2實施方案更急劇或者柔和的半徑成圓，這不會消極地影響燃燒凹窩136的性能。如圖5中所示，坐標點(Xi,y,,z,)可以乘以因子"a，，，從而使得，在源于以上表l的(x。yi，zj坐標點的x-y-z坐標空間內，根據本發明的燃燒凹窩236具有由連接坐標點(ax;,ayi,az;)的二維周向線240所限定的截面軸對稱構型。因子"a"可以為大于零的任何值的實數。優選因子"a"的值在大約O.52的范圍內。實際上，燃燒凹窩構型236是燃燒凹窩36的比例形式(放大或者縮小)，并且在所有其它方面都等同于燃燒凹窩36。燃燒凹窩236具有與燃燒凹窩36相同的構型，但是取決于因子"a"的值，可能小于或者大于燃燒凹窩36。例如，如果因子"a，，等于O.5,那么燃燒凹窩236的尺寸為燃燒凹窩36的尺寸的一半。類似地，如果因子"a"等于2,那么燃燒凹窩236的尺寸為燃燒凹窩36的尺寸的兩倍。在因子"a，，等于l的情形中，燃燒凹窩236等同于燃燒凹窩36。并且，雖然未顯示，但是，在該實施方案中，通常設置在坐才示點(30.4087*a,0,0)禾口(28.9087*a,0，—1.5000*a)之間的凹窩236的周向線240的邊纟彖部分可以具有1.5*&毫米~2.5*&毫米之間的曲率半徑a，R。該特4正類似于圖4實施方案的特征。此外，雖然在附圖中未顯示，但是由于制造和耐用性限制因素所產生的燃燒凹窩36構型的微小變體同樣在本發明的范圍內。因此，才艮據本發明的燃燒凹窩可以具有由連接表l中坐標點(x,±blXi，yi±ciyi,Zi土d,Zi)的周向線所限定的部分二維截面構型。如上所述，有序變量"i，，表示l和n之間的整數，"n"為沿限定燃燒凹窩構型的周向線的坐標點的總數。對于各個"i"值，變量"b"、"c"和"d"是值為零和0.01之間并且包4舌零和0.Ol的獨立十進位凝:值。例如，當i=1時，變量"b"的值可以是零，同時當1=2時，"b"的值可以為0.005。同沖羊，當i-l時，變量"b"的值可以為O.OOl,同時當i-時，變量"c"的值可以為O.007。變量"b"、"c"和"d，，實際上表示，在沿凹窩的周向線的任意點上的燃燒室構型中，由于制造活塞的設備的限制因素和活塞材料的耐用性限制因素而產生的以小數形式表示的容許偏差(誤差)百分比。在對于各個"i，，值，"b,"、"Ci"和"di"都等于零的情形中，燃燒凹窩具有等同于圖2中活塞凹窩36的構型。如上所述，與現有燃燒凹窩設計相比，本發明的燃燒凹窩36更深和凹腔更小。燃燒凹窩36的改進設計通過增強燃燒產物與氣缸內可利用過量空氣的混合，同時還降低了煙灰和NOx排放。此外，燃燒凹窩36在降低煙灰和NOx排放的同時，還保持或者改良了使用常規燃料注射和通風設備的燃料消耗。此外，燃燒凹窩36可以通過降低煙灰排放潛在地升高能量密度，從而使得燃料加注速率更高，同時仍然滿足政府，見定的煙灰排放水平。本發明的燃燒凹窩36還可以有利地實現這些益處，同時不會產生另外的費用消耗。通過將更多的高溫后燃燒氣體直接導入接近凹窩外半徑的高度紊流區域，燃燒凹窩36提供了增強的燃燒后混合。通過在與NOx顯著形成所需相比較短的時間量程上混合后燃燒氣體與存在于燃燒凹窩36中的相對較冷的過量空氣，這導致燃燒后氣體得到急冷。NOx形成的動力裝置需要高溫和相對較長的時間量程(與其它燃燒物理學相比，N0x形成是相對較慢的過程)。因此，燃燒后氣體的快速冷卻降低了NOx形成。此外，沿燃燒凹窩36外半徑的相對平面輪廓(即，燃燒凹窩36比現有燃燒凹窩的凹腔更小)是顯著導致燃燒凹窩36對噴霧目標敏感性較低的更有利設計。從例如燃料噴射器朝向燃燒凹窩外半徑的燃料噴射的把向對隨后的燃燒和廢氣形成過程具有決定性地影響。在生產枳^車中，噴射目標的變化是不可避免的，這是因為，例如噴油嘴錐體角、噴射器嘴凸出等等的變化。因為燃燒凹窩36對噴射目標較不敏感，因此由于噴射目標的變化，燃燒凹窩36有利地在燃燒和廢氣形成過程中提供較少變化。測試結果表明，與現有燃燒凹窩設計相比，本發明的燃燒凹窩36獲得了優良結果，比如煙灰排放和N(U非放之間以及冊x排放和燃料消耗之間的優良平衡。這些優良結果在重要的操作條件下已經得到了表明，比如，接近機車額定功率的操作條件下。接近額定功率的操作條件對于排放測試是有意義的，因為它通常對應于最大機車輸出功率，并且由此對應于最大機車排放。關于煙灰排放和NOx排放之間的平衡，本發明的燃燒凹窩36在穩定的N(U非放水平下，提供降低約50%的煙灰排放，和在穩定的煙灰排放水平下，提供降低大約30。/。的NO,排放。這些結果通過改變EGR水平和噴射("SOI")定時啟動獲得。此外，關于N"排放和燃料消耗之間的平衡，本發明燃燒凹窩36提供了降低大約15-20。/。的N0x排放，和降低大約3。/。的燃料消耗，或者二者之間的一些折中。類似地，在以下權利要求中，術語"坐標集S"定義為以上表l中的坐標點集合。雖然本發明已經通過參考某些優選實施方案進行了說明，但是應當理解，可以在本發明所述構思精神和范圍內進行多種改變。據此，本發明并不意圖限制于上述公開的實施方案，而是應當具有以下權利要求的全部范圍。權利要求1.一種用于柴油機的活塞，所述活塞具有冠部和限定在x-y-z坐標空間內的三維形狀，z-軸通常限定活塞的氣缸軸，和平面z＝0通常與冠部的上邊沿相交，所述活塞包括開槽在冠部內的燃燒凹窩，所述燃燒凹窩具有定位于z-軸上的中心點，并且在x-y-z坐標空間內具有由連接坐標點(xi，yi，zi)的周向線限定的二維部分截面構型，所述(xi，yi，zi)坐標點包括坐標集S中的點。2.權利要求l的活塞，其中所述燃燒凹窩具有通過圍繞z-軸旋轉周向線360°所限定的三維軸對稱構型。3.權利要求l的活塞，其中坐標點(Xi,y,,Zi)以毫米為單位進行計量。4.權利要求l的活塞，其中所述冠部具有與冠部上邊沿相鄰接的外部側壁，所述側壁具有大約50.979毫米的半徑。5.權利要求l的活塞，其中通常設置在坐標點(30.4087，0,0)和(28.9087,0,-1.5000)之間的凹窩周向線的邊緣部分具有1.5毫米2.5毫米的曲率半徑。6.—種用于柴油機的活塞，所述活塞具有冠部和限定在x-y-z坐標空間內的三維形狀，z-軸通常限定活塞的氣缸軸，和平面z=O通常與冠部的上邊沿相交，所述活塞包括開槽在冠部內的燃燒凹窩，所述燃燒凹窩具有定位于z-軸上的中心點，并且在源于(Xi,)坐標點的x-y-z坐標空間內，具有由連接坐才示點(ax;±abiXi,ayi土aCiy,，az;±a^z;)的周向線卩艮定的二維部分截面構型，所述(Xi,y,,Zi)坐標點包括坐標集S中的點；其中因子"a"是大于零的實數，和"bi"、"c,"和"d,"是位于零~0.01之間并且包4舌零和0.Ol的獨立的十進位數值。7.權利要求6的活塞，其中所述燃燒凹窩具有通過圍繞z-軸旋轉周向線360°所限定的三維軸對稱構型。8.〖又利要求6的活塞，其中坐標點(Xl，yi，z,)以毫米為單位進行計量。9.外部側壁，所述側壁具有大約5G.979*&毫米的半徑。10.權利要求6的活塞，其中因子"a"等于l。11.權利要求6的活塞，其中通常設置在坐標點(30.4087*a±30,4087*a*bi，0,0)和(28.9087*a±28.9087*a*bi,0,-1.5000*a±-1.5000*&*山)之間的凹窩周向線的邊緣部分具有1.5*&毫米~2.5*a毫米的曲率半徑。全文摘要本發明涉及一種低排放柴油機活塞，這種用于柴油機機車的活塞具有冠部和限定在x-y-z坐標空間內的三維形狀。z-軸通常限定活塞的氣缸軸，和平面z＝0通常與冠部的上邊沿相交。活塞包括在冠部中開槽的燃燒凹窩。燃燒凹窩具有在z-軸上的中心點，和具有由在x-y-z坐標空間內連接坐標點(x<sub>i</sub>，y<sub>i</sub>，z<sub>i</sub>)的周向線限定的二維部分截面構型。所述(x<sub>i</sub>，y<sub>i</sub>，z<sub>i</sub>)坐標點包括坐標集S內的點。燃燒凹窩具有通過關于z-軸旋轉周向線360°而限定的三維軸對稱構造。文檔編號F02F3/26GK101265855SQ20081000379公開日2008年9月17日申請日期2008年1月23日優先權日2007年1月23日發明者D·D·維克曼,R·迪瓦卡,S·爭申請人:通用汽車環球科技運作公司