專利名稱：用于具有egr系統的二沖程機車柴油機的活塞的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種機車柴油機，并且更特別地，涉及一種用于具有廢氣再循環系統的二沖程機車柴油機的帶獨特凹腔幾何結構的活塞。
背景技術：
本發明整體涉及一種機車柴油機，并且更特別地，涉及一種具有用于優化具有廢氣再循環(“EGR”)系統的二沖程機車柴油機的獨特的凹腔幾何結構的活塞。該活塞實現減少水平的煙和顆粒物質；促進發動機氣缸中的混合過程；并且為減少NOx排放提供較低的壓縮比。圖1圖示了包括單向流動的二沖程柴油機系統200的機車100。如圖2和3所示， 機車柴油機系統200通常包括空氣系統，空氣系統具有渦輪增壓器300，渦輪增壓器300具有壓縮機302和渦輪機304，用于向具有風箱308、動力總成310、排氣歧管312和曲軸箱314 的發動機306供應壓縮空氣。在一種典型的機車柴油機系統200中，渦輪增壓器300通過壓縮和增加輸送到發動機306的空氣量來增大發動機306的功率密度。更特別地，渦輪增壓器300從大氣316抽吸空氣，該空氣使用傳統的空氣過濾器 318過濾。過濾的空氣由壓縮機302壓縮。壓縮機302由渦輪機304提供動力，如以下將要進一步討論的。壓縮空氣(或增壓空氣)的較大部分被輸送到后冷卻器320(或者被稱為換熱器、增壓空氣冷卻器或中間冷卻器)，在該處，增壓空氣被冷卻到選擇溫度。增壓空氣的另一較小部分被輸送到曲軸箱通風油分離器322，該曲軸箱通風油分離器322排空曲軸箱314、夾帶曲軸箱氣體并且在將曲軸箱氣體和壓縮空氣的混合物釋放到大氣316之前過濾夾帶的曲軸箱油。來自后冷卻器320的冷卻增壓空氣經由風箱308進入發動機306。增壓空氣進氣溫度的降低向發動機提供更密集的進氣充量，在改進燃料經濟性的同時降低了 NOx排放。 風箱308是將冷卻增壓空氣經由進氣口分配到多個氣缸(例如324)的單個附件。每個氣缸(例如324)都由氣缸蓋(例如326)封閉。氣缸蓋(例如326)中的燃料噴射器(未示出)將燃料引入每個氣缸(例如324)中，在該處，燃料與冷卻增壓空氣混合并燃燒。每個氣缸(例如324)包括將燃燒造成的合力經由連桿(例如33 傳遞到曲軸330的活塞(例如328)。活塞(例如328)包括活塞凹腔，該活塞凹腔有利于燃燒所需的燃料和積存氣體 (包括冷卻增壓空氣)的混合。氣缸蓋(例如326)包括由安裝在氣缸蓋(例如326)中的排氣閥(例如334)控制的排氣口，該排氣口調節在燃燒過后從氣缸(例如324)排出的廢氣的量。柴油機的燃燒循環包括所謂的驅氣過程。在驅氣過程中，從風箱308的進氣口到排氣歧管312保持正壓力梯度，使得來自風箱308的冷卻增壓空氣為氣缸(例如324)充氣并清除來自之前的燃燒循環的大部分燃燒氣體。更特別地，在動力總成310中的驅氣過程中，冷卻增壓空氣進入由相聯的活塞(例如328)控制的氣缸(例如324)的一端以及進氣口。冷卻增壓空氣與之前的循環中余下的少量燃燒氣體混合。同時，大量的燃燒氣體經由四個排氣閥(例如334)離開氣缸(例如324)的另一端，并且作為廢氣進入排氣歧管312。 這些驅氣和混合過程的控制在降低排放以及獲得希望水平的燃料經濟性方面是有幫助的。來自燃燒循環的廢氣經由排氣歧管312離開發動機306。來自發動機306的廢氣流用于向渦輪增壓器300的渦輪機304供以動力并由此向渦輪增壓器300的壓縮機302供以動力。在向渦輪增壓器300的渦輪機304供以動力之后，廢氣經由排氣管336或消聲器釋放到大氣316中。通過使一些廢氣反向再循環經過發動機系統可以實現排放降低。再循環的廢氣的主要成分包括隊、CO2和水蒸氣，其通過稀釋和熱效應影響燃燒過程。稀釋效應是由于進氣中的氧濃度降低引起的，并且熱效應是由于充氣的比熱容增加引起的。通過柴油機釋放到大氣中的廢氣包括顆粒、氮氧化物(NOx)和其它污染物。已經有法規通過以減少可以釋放到大氣中的污染物量。已經實施了減少這些污染物的傳統系統， 但以燃料效率為代價。因此，本發明的目的是提供一種減少由柴油機釋放的污染物的量而同時獲得希望的燃料效率的系統。本發明的另一目的是提供一種用于單向流動的二沖程柴油機的EGR系統，其管理前述驅氣和混合過程以減少N0X，同時獲得希望的燃料經濟性。因此，本發明的目的是提供一種可以與EGR系統一起使用的活塞。希望的是，活塞實現減少水平的煙和顆粒物；促進發動機氣缸中的混合過程；并且提供用于減少NOx排放的較低壓縮比。本發明EGR系統的各種實施方式能夠超出行業中所稱的環境保護局(EPA)的Tier 11(40 CFR 92)和Tier 111(40 CFR 1033) NOx排放要求，以及更嚴格的歐洲委員會(EURO) Tier IIIb NOx排放要求。這些各種排放要求通過參考引用在此并且作為本專利申請的一部分。
發明內容
本發明整體涉及一種柴油機，更具體地，涉及一種用于具有EGR系統的單向流動的二沖程機車柴油機的活塞。活塞具有獨特的凹腔幾何結構，其實現減少水平的煙和顆粒物；促進發動機氣缸中的混合過程；并且提供用于減少NOx排放的較低壓縮比。特別地，一種活塞凹腔幾何結構配置被提供用于具有廢氣再循環(EGR)系統的柴油機，該廢氣再循環(EGR)系統適于通過使廢氣再循環經過發動機來減少NOx排放并實現希望的燃料經濟性。活塞凹腔幾何結構配置包括在大約4. 795英寸到大約5. 045英寸之間的復曲面大直徑；在大約0. 595英寸到大約0. 665英寸之間的復曲面小半徑；在大約0. 787 英寸到大約0. 867英寸之間的擠壓面下方的復曲面下沉；在大約沈度到大約34度之間的中心錐角；大約0. 375英寸的冠邊緣半徑；在大約0. 196英寸到大約0. 240英寸之間的冠厚度、大約0. 79英寸的中心球面半徑；大約8. 50英寸的活塞直徑；大約1. 647英寸到大約1. 707英寸之間的活塞凹腔深度和大約0. 305立方英寸的活塞凹腔容積，其中，活塞凹腔幾何結構配置促進燃料和包括再循環廢氣的氣體在其容積中混合，并且其中活塞凹腔容積限定大約17 1的發動機壓縮比，以限制最大燃燒壓力并降低NOx排放。以下說明用于使得本領域普通技術人員作出并使用本發明，并且在專利申請及其要求的內容中給出。本領域普通技術人員將很容易想到對在這里描述的優選實施方式和一般原理和特征的多種變型。因此，本發明不意于限制為所示的實施方式，而是要保護與這里描述的原理和特征一致的最寬的范圍。
圖1是包括二沖程柴油機系統的機車的立體圖。圖2是圖1的二沖程柴油機系統的部分剖視立體圖。圖3是圖2的具有傳統空氣系統的二沖程柴油機的系統框圖。圖4是具有EGR系統的二沖程柴油機的系統框圖。圖5A是圖4的二沖程柴油機的剖視圖。圖5B是圖4的二沖程內燃柴油機的示意性局部剖開剖視圖，示出了排氣閥。圖5C是圖4的二沖程內燃柴油機的示意性局部剖開剖視圖，示出了燃料噴射器。圖6是根據本發明的活塞的局部側面剖視圖。圖7A是根據本發明的燃料噴射器噴嘴的細節局部剖開截面側視圖。圖7B是圖7A的燃料噴射器噴嘴的第一優選實施方式的截面圖。圖7C是圖7A的燃料噴射器噴嘴的第二優選實施方式的截面圖。圖8A是根據本發明用于優化二沖程柴油機的定時圖。圖8B是顯示針對整個發動機循環的廢氣的升程和速度分布的曲線圖。圖8C是根據本發明的排氣凸輪輪廓的剖視圖。
具體實施例方式本發明涉及一種用于具有EGR系統的單向流動的二沖程機車柴油機的活塞。該活塞具有獨特的凹腔幾何結構，實現了減少水平的煙和顆粒物；促進發動機氣缸中的混合過程；并且提供用于減少NOx排放的較低壓縮比。為了滿足至少U. S. EPA Tier III排放標準，以及更嚴格的歐洲委員會Tier IIIb NOx排放要求，已經對圖3的機車系統作出若干關鍵設計改變。如圖4所示，顯示EGR系統 450，其使來自發動機406的排氣歧管412的廢氣再循環經過發動機406、使廢氣與后冷卻器 420的冷卻增壓空氣混合并且將其輸送至風箱408。在這種EGR系統中，僅選擇百分比的廢氣再循環并且與進氣增壓空氣混合，以便選擇性地減少污染物排放(包括NOx)，同時實現希望的燃料效率。待再循環的廢氣的百分比還取決于給渦輪增壓器400的壓縮機402供以動力所需的廢氣流的量。希望的是，足夠的廢氣給渦輪增壓器400的渦輪機404供以動力，使得最佳量的新鮮空氣為了燃燒目的輸送到發動機406。對于機車柴油機應用，希望的是，輸送到風箱408的總的氣體(包括來自渦輪增壓器的壓縮新鮮空氣和再循環廢氣)的少于大約35%再循環。這種配置使得污染物排放(包括NOx)減少，同時實現希望的燃料效率。可以設置流量調節裝置用于調節待再循環的廢氣的量。在一種實施方式中，流量調節裝置是如圖4中所示的閥452。替代地，流量調節裝置可以是正流量裝置460，其中沒有閥(未示出)或閥452可以用作開/關閥，如以下將更加詳細討論的。待再循環的選擇百分比的廢氣可以任選地過濾。過濾用于減少在再循環過程中引入發動機406中的顆粒。顆粒引入發動機406中導致加速磨損，特別是在單向流動的二沖程柴油機應用中。如果廢氣未被過濾并且再循環到發動機中，來自燃燒循環的未過濾的顆粒將加速發動機部件的磨損。例如，由于硬顆粒在經過進氣口之后被活塞環沿著氣缸套壁拖拉，單向流動的二沖程柴油機對氣缸套壁刮傷特別敏感。氧化和過濾也可以用于防止其它 EGR系統部件(例如冷卻器458和正流量裝置460)或發動機系統部件生污和磨損。在圖4 中，為了過濾目的提供柴油氧化催化器(DOC)妨4和柴油顆粒過濾器(DPF)456。DOC 4 利用氧化過程來減少廢氣中的顆粒物(PM)、碳氫化合物和/或一氧化碳排放。DPF 456包括過濾器以減少來自廢氣的PM和/或煤煙。D0C/DPF配置可以適于被動地再生和氧化煤煙。 雖然示出了 DOC妨4和DPF 456，可以使用其它可比的過濾器。過濾的廢氣任選地使用冷卻器458冷卻。冷卻器458用于降低再循環廢氣的溫度， 由此向發動機提供更密集的進氣充量。再循環廢氣的進氣溫度的降低減少了 NOx排放并且改進了燃料經濟性。由于容易產能并容易與下游EGR系統和發動機部件兼容，與EGR系統中這一點處具有較熱廢氣相比最好具有冷卻的廢氣。冷卻廢氣流向正流量裝置460，其提供必要的壓力增大以克服EGR系統450本身內的壓力損失并且克服排氣歧管412和再循環廢氣的引入位置之間的逆壓梯度。特別地，正流量裝置460增大再循環廢氣的靜壓，使得足以引入動力總成410上游的廢氣。替代地，正流量裝置460減小引入位置處動力總成410上游的靜壓，使得足以在排氣歧管412和動力總成上游的引入位置之間施加正靜壓梯度。正流量裝置460可以是羅茨鼓風機、文丘里管、 葉輪、螺旋槳、渦輪增壓器、泵等形式。正流量裝置460可以內部地密封，使得油不污染待再循環廢氣。如圖4所示，在一個例子中，在風箱408(例如大約94. 39英寸汞柱)到排氣歧管 412 (例如大約85. 46英寸汞柱)之間存在正壓梯度，以得到必要水平的氣缸驅氣和混合。 為了再循環廢氣，增加再循環廢氣的壓力以至少匹配后冷卻器排放壓力以及克服通過EGR 系統450的額外壓降。因此，廢氣由正流量裝置460壓縮并且與來自后冷卻器420的新鮮空氣混合，以便減少NOx排放，同時實現希望的燃料經濟性。優選的是，廢氣的引入以促進再循環廢氣與新鮮空氣混合的方式執行。作為如上所討論的調節待再循環廢氣的量的閥452的替代，正流量裝置460可以代替用于調節待再循環廢氣的量。例如，正流量裝置460可以適于控制廢氣從發動機406、 經過EGR系統450并返回到發動機406中的再循環流速。在另一例子中，閥452可以用作開/關式閥，其中，正流量裝置460通過適應裝置的循環速度來調節再循環流速。在這種配置中，通過改變正流量裝置460的速度，可以使變化量的廢氣再循環。在又一例子中，正流量裝置460是正排量泵(例如羅茨鼓風機)，其通過調整其速度來調節再循環流速。提供新的渦輪增壓器400，其壓力比比現有技術的單向流動的二沖程柴油機渦輪增壓器的壓力比高。新的渦輪增壓器提供更高壓縮的新鮮空氣充量，該新鮮空氣與來自正流量裝置460的再循環廢氣混合。考慮到新鮮空氣和冷卻廢氣的積存混合物的低氧濃度， 輸送到發動機406的新鮮空氣與廢氣的這種高壓混合提供燃燒所需的希望的積存氧質量。
圖4的EGR系統450僅出于示意的目的示出。其它可比EGR系統可以類似地被實施，以便為了減少NOx排放的目的使廢氣在發動機中再循環。例如，再循環的廢氣可以替代地在被引導至發動機的風箱之前在后冷卻器的上游引入并由此冷卻。在另一實施方式中， 過濾的廢氣可以任選地被引導至后冷卻器，而不在EGR系統中增加冷卻器。在又一實施方式中，還可以提供控制系統，其控制EGR系統的選擇部件。在一個例子中，控制系統控制流量調節裝置，以基于機車的各種操作狀況適應性地調節被再循環的廢氣量。為了進一步優化圖4中所示的EGR系統450，若干發動機部件已經被重新設計，導致增加的燃料效率和減少的NOx排放。特別地，本發明發動機包括⑴具有獨特的凹腔幾何結構的新活塞；(2)優化的燃料噴射器系統；和(3)新的排氣凸輪。圖5A-5C是與圖4的 EGR系統450 —起使用的被重新設計的單向流動的二沖程柴油機的各種剖視圖。被重新設計用于與EGR系統一起使用的第一新的發動機部件是活塞。如圖5A-5C 所示，活塞583由活塞載體承載。活塞包括大致環形側壁，在側壁上具有多個凹槽。凹槽 593接收多個環，以相對于氣缸套的側壁密封活塞583，如本領域中已熟知的。連桿595也可以以傳統方式樞轉地緊固到活塞。新的活塞凹腔幾何結構在與下面描述的燃料噴射系統配對時促進氣缸中燃料和積存氣體(包括進氣增壓空氣和再循環廢氣)的混合。此外，活塞凹腔通過其新的獨特的幾何結構有助于減少煙和顆粒物的量。活塞凹腔容積、氣缸、氣缸蓋和排氣閥限定活塞上止點(TDC)處的容積優選地等于大約0. 3053立方英寸，由此限定壓縮比為約17 1。較低的壓縮比抵消較高的風箱壓力，由此限制最大燃燒壓力并降低N0X。特別地，如圖6所示，活塞凹腔683包括具有大致球形形狀的中心部分。優選地， 中心部分具有優選地等于大約0. 79英寸的中心球面半徑&(620)。錐形部分連接到中心部分并且優選地以優選等于30度加減4度的角度(中心錐角Ac(616))形成。環形復曲面鄰近錐形部分形成，并且部分地通過優選地等于4. 92英寸加減0. 125英寸的復曲面大直徑 Dtm(610)和優選地等于0.63英寸加減0.035英寸的復曲面小半徑Rtm(612)限定。冠邊緣鄰近環形復曲面形成，并且連接到側壁的上方平的邊緣面。冠邊緣半徑Rra(618)優選地等于大約0. 375英寸。優選地形成環形復曲面，其中復曲面小半徑I tm(61 從在上方平的邊緣面下方下沉0. 827英寸加減0. 04英寸的點測量。這也已知為擠壓面下方的復曲面下沉并且在圖6 中標識為Ts (614)。因此，新的活塞凹腔683設計包括以下優選地等于4. 92英寸加減0. 125英寸的復曲面大直徑Dtm(610)；優選地等于0.63英寸加減0.035英寸的復曲面小半徑Rtm(612)； 優選地等于0. 827英寸加減0. 04英寸的擠壓面下方的復曲面下沉Ts (614)；優選地等于30 度加減4度的中心錐角A。(616)；優選地等于0.375英寸的冠邊緣半徑Rai(618)；優選地在大約0. 196英寸和大約0. 240英寸之間的冠厚度；優選地等于0. 79英寸的中心球面半徑 Rc (620)；優選地等于8. 50英寸的活塞直徑D以及優選地等于1. 677英寸加減0. 03英寸的活塞凹腔深度B。相應地，復曲面大直徑Dtm(610)相對于活塞直徑D之比是1 1.73;復曲面小半徑1^(612)相對于活塞直徑D之比是1 13. 49;并且活塞凹腔深度B與活塞直徑 D之比是1 5. 07。活塞配置還具有大約0. 305立方英寸的增大的擠壓容積(和活塞凹腔容積)。另夕卜，擠壓面積優選地為大約2. 827平方英寸，并且擠壓高度優選地為大約0. 108英寸。由于增大的擠壓容積，發動機壓縮比從大約18. 4 1下降到大約17 1。較低的壓縮比抵消較高的風箱壓力，由此限制最大燃燒壓力并降低N0X。重新設計的活塞與在圖5A和5C中以587示出的燃料噴射器系統配對。如圖7A-7C 中進一步的細節，燃料噴射器787具有燃料噴射器噴嘴主體788，該燃料噴射器噴嘴主體 788具有六個或七個燃料噴射孔790。燃料噴射孔790具有互相相等的尺寸，并且圍繞噴嘴中心線N同心地等距離間隔。每個燃料噴射孔790設置有減小直徑的孔尺寸，孔直徑在優選地0. 0133英寸和0. 0152英寸之間的范圍內。燃料噴射孔的夾角A優選為150度加減4 度。減小直徑的孔尺寸提供減小的燃料噴射率連同增大的燃料噴射持續時間以及升高的峰值燃料噴射壓力，并且用于降低在燃料燃燒過程中的NOx形成，因為其將燃料噴灑在新的活塞凹腔幾何結構上以降低煙和顆粒水平。被重新設計用于與EGR系統一起使用的下一個新的發動機部件是新的發動機排氣閥定時和提升系統。特別地，圖5A-5C示出了發動機的兩個氣缸排599A、599B，每個具有由氣缸蓋597封閉的多個氣缸。氣缸蓋597包含與燃燒室連通并且通過安裝在氣缸蓋597 中的排氣閥553控制的排氣口。在該系統中，排氣閥553調節從燃燒室排出的廢氣的量。排氣閥打開和關閉的定時、升程和速度被控制，以便獲得希望的NOx排放水平和希望水平的氣缸驅氣和混合。如圖5A和5B所示，排氣閥553通過驅動諸如搖臂582的相聯閥致動機構的凸輪軸的排氣凸輪580機械地致動。特別地，圖5A示出二沖程柴油機的剖視圖，示出了由排氣凸輪580致動的兩個排氣閥553。排氣凸輪580通常包括確定排氣閥致動的升程、定時和速度的選擇形狀。為了打開排氣閥553，排氣凸輪580的凸角接合定位在搖臂582上的滾子 584。一旦凸輪凸角經由滾子584接合搖臂582，搖臂582接合閥橋585，其導致鄰近彈簧壓縮并導致排氣閥553打開。排氣凸輪580控制排氣閥打開和關閉的定時、升程和速度，以便獲得希望的NOx排放水平和希望水平的氣缸驅氣和混合。被重新設計用于與上述EGR —起使用的發動機部件的操作詳細示出在圖8A的發動機定時圖表中。特別地，發動機定時圖表圖示被重新設計的發動機部件對EGR系統的影響。如圖所示，燃燒發生在活塞TDC處或附近。到氣缸中的燃料噴射在TDC附近開始并且在 TDC之后結束，特定定時取決于機車操作狀況。例如，在滿負荷處，燃料噴射定時在TDC之前大約7度處開始，并且在TDC之后大約13度處結束。氣缸氣體的膨脹在TDC處開始并且繼續直到排氣閥打開。排氣閥在經過TDC大約79度處打開。直到經過TDC大約108度，排氣閥如將相對于圖8B進一步詳細說明那樣以慢的恒速打開。在經過TDC大約108度和125度之間，由于氣缸壓力高于排氣壓力，廢氣離開氣缸。進氣口在經過TDC大約125度處打開， 在此時氣缸壓力一般高于風箱壓力。氣缸壓力導致大多數廢氣流過排氣閥，同時一些廢氣可以流入風箱中。當氣缸壓力達到風箱壓力時，從進氣口到排氣閥的正壓梯度由此使氣缸充有來自風箱的冷卻增壓空氣(和再循環廢氣)并且清除來自之前循環的大多數廢氣。冷卻增壓空氣(和再循環廢氣)與之前循環剩余的少量廢氣混合。在驅氣過程中的峰值閥升程出現在經過TDC大約177度處的下止點附近，在此處壓縮開始。冷卻增壓空氣(和再循環廢氣)繼續進入氣缸，直到進氣口在經過TDC大約235度處關閉。當排氣閥關閉時，廢氣和冷卻增壓空氣(和再循環廢氣)被壓縮，并且驅氣繼續直到在TDC之后大約261度。重要的是要注意，在經過DTC大約248度時，排氣閥幾乎關閉。氣缸壓縮繼續直到TDC，在該處附近，燃燒循環再次開始。新的活塞凹腔(圖6中所示)和進氣口的幾何結構促進氣缸中燃料和被捕集氣體 (包括冷卻增壓空氣和再循環廢氣)的混合。活塞凹腔容積、氣缸、氣缸蓋和排氣閥在TDC 處限定容積，由此限定大約16. 7至大約17. 5的壓縮比。如上所討論的，較低的壓縮比抵消較高的風箱壓力，由此限制最大燃燒壓力并降低N0X。如上所討論的，閥通過凸輪軸的排氣凸輪機械地致動。由于所有排氣閥事件的定時和升程都由凸輪確定，提供用于排氣閥的新的凸輪凸角配置以根據新的EGR系統獲得外部EGR。閥致動的定時和升程部分地取決于凸輪的哪個部分(即，凸輪角)在給定時間點接合滾子。閥打開和關閉的定時和升程對于獲得希望的NOx排放水平和希望水平的氣缸驅氣和混合是重要的。當凸輪轉動到TDC之后大約177度時，凸輪的排氣輪廓具有峰值滾子升程，如圖8A-8C所示。閥隨著凸輪轉動到TDC之后大約261度而關閉。由于排氣閥在較長時間段保持打開，與圖3的系統相比，這提供較長時間段用于氣缸驅氣。特別地，圖8B和8C還示出凸輪角和排氣閥升程之間的相關性。此外，由于凸輪的選擇形狀，凸輪的陡度對應于閥打開和關閉的速度。如圖8C所示，凸輪通常包括基圈和凸輪輪廓凸角。當基圈接合搖臂滾子時，閥關閉。一旦凸輪轉動使得凸輪輪廓凸角并且特別是凸角的傾斜部分接合滾子，排氣閥開始提升。雖然基圈是圓形的，凸角是橢圓形。因此， 隨著凸輪的接合搖臂的部分的角度和陡度改變，閥打開的速度相應地改變。現在參照圖8B和8C，當凸輪轉動到79度的角度(在800處所示)時，排氣閥開始打開。閥以低的恒速(在800和810之間所示)打開大約四度，直到凸輪轉動到108度 (在810處所示)。在閥打開和關閉過程中保持低的恒速是避免閥系統的機械失效的重要因素。當閥以高速打開和關閉時，閥和其它系統部件經受高沖擊負荷，這經常導致機械閥系統失效。相應地，打開和關閉斜面被設計成使得閥落座和閥離座的速度低。打開和/或關閉速度越低，施加在閥系系統上的閥落座和閥離座負荷越低。當凸輪轉動到大約108度時，在此時凸輪凸角的陡峭部分(或側面)接合并提升滾子，低的恒速終止。隨著凸輪從大約108度的曲柄轉角轉動到大約138度的曲柄轉角， 閥打開速度急劇增大超過10倍(在圖8B中810和830之間所示)。隨著滾子接近凸輪尖 (nose)，閥打開速度降低。當凸輪達到大約177度(在840處所示)的轉動時，其導致滾子達到其峰值升程，對應于峰值閥升程。當閥處于其峰值升程(840處)時，凸輪凸角尖接合滾子，并且閥速度返回到0英寸/度(850處所示)。隨著凸輪繼續轉動，閥開始最初地以較高速度關閉，直到其達到大約248度。當凸輪轉動到大約248度的角度(860處所示)時， 在此時閥關閉速度降到恒速(870處所示)，閥幾乎關閉。該低的恒速保持大約13度，直到凸輪轉動到大約261度的角度，在此時，閥完全關閉(890處所示)。本發明的各種實施方式可以應用于低壓回路EGR系統和高壓回路EGR系統。本發明的各種實施方式可以應用于具有各種數量氣缸(例如8氣缸、12氣缸、16氣缸、18氣缸、 20氣缸等)的機車二沖程柴油機。除了機車應用，各種實施方式還可以應用于其它二沖程單向流動驅氣的柴油機應用(例如海用)。如上所討論的，通過EGR系統實現了 NOx減少，同時新的發動機部件在單向流動驅氣的二沖程柴油機中保持希望水平的氣缸驅氣和混合。本發明的實施方式涉及機車柴油機，更具體地，涉及用于具有廢氣再循環系統的二沖程機車柴油機的活塞。上述說明給出以使本領域普通技術人員做出并使用本發明，并且給出在專利申請及其要求的內容中。本領域普通技術人員將容易地想到對這里描述的各種實施方式和通用原理和特征的變型。本發明不意于限制為所示的實施方式，而是要保護與這里描述的原理和特征一致的最寬的范圍。
權利要求
1.一種用于具有廢氣再循環(EGR)系統的柴油機的活塞凹腔幾何結構配置，所述廢氣再循環系統能夠通過使廢氣再循環經過發動機來減少NOx排放并實現希望的燃料經濟性， 所述活塞凹腔幾何結構配置包括在大約4. 795英寸到大約5. 045英寸之間的復曲面大直徑；在大約0. 595英寸到大約0. 665英寸之間的復曲面小半徑；在大約0. 787英寸到大約0. 867英寸之間的擠壓面下方的復曲面下沉；在大約26度到大約34度之間的中心錐角；大約0. 375英寸的冠邊緣半徑；在大約0. 196英寸到大約0. 240英寸之間的冠厚度；大約0. 79英寸的中心球面半徑；大約8. 50英寸的活塞直徑；大約1. 647英寸到大約1. 707英寸之間的活塞凹腔深度；和大約0. 305立方英寸的活塞凹腔容積，其中，活塞凹腔幾何結構配置促進燃料和包括再循環廢氣的氣體在其容積中混合，并且其中活塞凹腔容積限定大約17 1的發動機壓縮比，以限制最大燃燒壓力并降低NOx排放。
2.根據權利要求1所述的活塞凹腔幾何結構，其中，所述活塞凹腔容積限定擠壓容積。
3.根據權利要求1所述的活塞凹腔幾何結構，還包括大約2.827平方英寸的擠壓面積。
4.根據權利要求1所述的活塞凹腔幾何結構，還包括大約0.108英寸的擠壓高度。
5.根據權利要求1所述的活塞凹腔幾何結構，其中，所述復曲面大直徑為大約4.92英寸。
6.根據權利要求1所述的活塞凹腔幾何結構，其中，所述復曲面小半徑為大約0.63英寸。
7.根據權利要求1所述的活塞凹腔幾何結構，其中，擠壓面下方的復曲面下沉為大約 0. 827英寸。
8.根據權利要求1所述的活塞凹腔幾何結構，其中，所述中心錐角為大約30度。
9.根據權利要求1所述的活塞凹腔幾何結構，其中，所述活塞凹腔深度為大約1.677英寸。
全文摘要
本發明涉及一種具有獨特的凹腔幾何結構的活塞，用于優化具有廢氣再循環(“EGR”)系統的二沖程機車柴油機。該活塞實現減少水平的煙和顆粒物；促進發動機氣缸中的混合過程；并且提供用于減少NOX排放的較低壓縮比。
文檔編號F02F3/26GK102498279SQ201080040818
公開日2012年6月13日 申請日期2010年8月2日 優先權日2009年8月1日
發明者F·M·格拉克茲克, J·W·海倫巴赫, K·M·辛科 申請人:電動內燃機公司