直噴式柴油機的制作方法

專利名稱：直噴式柴油機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種每氣缸四個氣門的直噴式柴油機，這四個氣門即為兩個進氣門及兩個排氣門。
背景技術：
設計柴油機時最重要的一個考慮因素是其排放水平，特別是未燃盡的碳氫化合物、氮氧化合物(NOx)及碳煙顆粒的排放水平，日益嚴格的排放法規推動發動機開發者在以最具成本效益的方式減少發動機的排放方面作出更大的努力。關于這一點通常更傾向于基于發動機的措施以免去與排氣后處理系統相關的資金及運行成本，比如催化劑及過濾系統。 在柴油機中，燃燒室的形狀及其與燃料噴射系統的交互作用對減排是至關重要的。直噴式柴油機的燃燒室一般位于活塞的頂部內。每氣缸兩個氣門(即一個進氣門及一個排氣門)的發動機必然具有相對于氣缸和活塞的軸線偏置且傾斜的燃料噴射器，這就意味著活塞頂內的燃燒室必須類似地偏置以使其大致位于燃料噴射器的下方。由于室內的燃料/空氣混合物的旋轉運動關于氣缸的軸線不均勻且來自燃料噴射器中不同噴射孔的燃料的噴射路徑的長度通常是不同的，因此這樣的偏置燃燒室對發動機的排放及燃料經濟性都具有負面影響。為此，通常優選每氣缸四個氣門的直噴式柴油機，因為這允許燃燒室同軸地定位并同樣允許燃料噴射器同軸地定位和定向。眾所周知，四氣門直噴式柴油機的燃燒室有著許多不同的形狀，其中一些的軸截面為大致ω形狀，這是本發明所涉及的燃燒室的形狀。更具體地，本發明涉及此類活塞，其中構成燃燒室的凹部在軸截面上關于活塞的軸線旋轉對稱并由基底及側壁限定，大致圓錐形或截頭圓錐形的突起直立在所述基底上，所述凹部包括離所述活塞頂最遠的環形下部以及離所述活塞頂最近的上部，所述上部的直徑朝向所述活塞頂逐漸增大，所述上部及下部由延伸到所述凹部中的環狀的在軸截面上為弓形的凸緣分開。申請號為2010745567的東風中國專利申請公開了這種一般類型的活塞。然而，這種活塞的目的是用于兩氣門直噴式發動機，因此燃燒室偏心地定位在活塞頂內，出于上述原因這在任何情況下都是不利的。然而，即便將該文獻中所公開的燃燒室定位于所述活塞頂的中心，由此使所述活塞固有地適用于四氣門柴油機，也同樣認為燃料和空氣的混合是不夠完全的，也認為排放水平，例如未燃盡的碳氫化合物、NOx及碳煙顆粒的排放水平之高令人無法接受。US 7210448Β2及US 6732703Β2公開了大致相似類型的另一種活塞，但是在這兩個專利中都不存在環狀凸緣，因此所述凹部的上部及下部之間沒有明確隔開。同樣在這些燃燒室中，空氣和燃料的混合被認為小于最佳混合，并認為污染物的排放水平不再如理想的那樣低。此外，發現燃料/空氣混合物在相當大的程度上與氣缸壁接觸，導致氣缸壁上的潤滑油被燃料稀釋，從而導致發動機的使用壽命縮短。如上所述，在上述所有已有文獻的燃燒室中碳煙顆粒的生產水平之高令人無法接受。這表示燃料不完全燃燒、效率低，碳煙顆粒向大氣層的排放量只能通過成本昂貴的后處理，比如過濾，減少到可接受的或法定允許水平。碳煙或部分燃燒的碳氫化合物顆粒令人意想不到的堅硬，因此比較耐磨，實踐表明在已有文獻的燃燒系統中，高得令人無法接受的一部分碳煙顆粒與氣缸壁接觸并且截留或夾帶在存在于壁上的油層中。所述油及夾帶的顆粒隨后返回發動機的主油路，其中耐磨顆粒從長遠來看會對油泵及供應有油的其他組件造成嚴重損害，從而增加發動機的維修成本和/或縮短其使用壽命。

發明內容
因此，本發明的目的在于提供一種四氣門直噴式柴油機以及一種用于此發動機的活塞，其中使燃料/空氣混合物混合得比之前更加強烈、徹底，從而導致排放量減少，發動機效率增加。本發明的另一個目的不僅是要減少所產生的碳煙顆粒的量，而且還要減少氣缸壁上的油層中夾帶的碳煙顆粒的比例，從而降低發動機的維修成本并延長發動機的使用壽命。
根據本發明，上述類型四氣門直噴式柴油機活塞的特征在于所述圓錐形或截頭圓錐形突起的夾角為104° -108°，所述凹部從所述基底到所述活塞頂的平面的最大深度為所述活塞的直徑的13% -22%、優選18-22%，所述圓錐形或截頭圓錐形突起沿直徑為所述活塞的直徑的38% -44%、優選38-42%的圓形線并入基底，所述凸緣的直徑為所述活塞的直徑的54% -59%，所述凸緣的最小直徑線位于距所述活塞頂的平面的距離為所述活塞的直徑的5% -10%處，且所述凹部的上部的直徑從在所述凸緣的最小直徑線處的所述活塞的直徑的54% -59%增加至在所述凹部的側壁與所述活塞頂的平面相交的線處的所述活塞的直徑的72% -76%。燃燒室的大量尺寸參數全部對空氣和燃料混合的強度及徹底性產生影響，由此對發動機的效率及排放產生影響，因此必須相對于彼此優化所有的參數，窮舉測試表明上述尺寸范圍是最優的，產生明顯較低的排放并實現較高的效率。相對于上述已知燃燒室的最大區別在于環狀凸緣明顯較大，也就是說更凸入所述燃燒室，使所述燃燒室更明顯地分為上部及下部。四氣門直噴式柴油機的進氣門一般屬于被構造并設置為使所述燃燒室內的流入空氣基本上繞氣缸的軸線旋轉的類型，認為較大的環狀凸緣導致旋轉的空氣及燃料在凸緣下方的燃燒室下部的滯留時間較長，由此在所述活塞離開上止點位置之后，在向上移到所述燃燒室的上部中并隨后移到所述氣缸的上部之前導致空氣和燃料混合得更加徹底。較大的環狀凸緣還導致流出所述燃燒室的下部的被賦予徑向向內的運動分量，這就意味著較小部分的燃燒混合物沖擊相應的冷的氣缸壁。這減少了燃料/空氣混合物與氣缸壁接觸的范圍，著轉而減少氣缸壁上的潤滑油通過燃料稀釋。較大的環狀凸緣還減少了通過接觸氣缸壁而驟冷或快速冷卻的燃燒混合物的比例，這轉而使NOx的生成減少。空氣和燃料的更徹底的混合導致更完全燃燒，由此導致未燃盡的碳氫化合物、尤其是碳煙顆粒的排放減少。因此，不但產生了較少的碳煙顆粒，而且主要由于較大的環狀凸緣的緣故，所述氣缸壁表面上的油層中夾帶較小比例的碳煙顆粒。側壁的限定所述凹部的上部的部分優選在軸截面上是凹形的。發現該凹面附加地促使燃燒的燃料/空氣混合物沿大致軸向移動且不與所述氣缸壁接觸，該混合物在所述氣缸壁上將通過氣缸壁相對較低的溫度而局部驟冷，這進一步減少了所述氣缸壁上的油層中夾帶的碳煙顆粒的比例。本發明還涉及一種直噴式柴油機，包括限定由氣缸蓋封閉并往復接收上述類型的相應活塞的至少一個氣缸的氣缸體，所述氣缸與氣缸蓋中的兩個進氣門及兩個排氣門連通，所述進氣門屬于被設置為使所述氣缸內的流入空氣基本上繞所述氣缸的軸線旋轉的類型，所述氣缸蓋另外攜帶有基本上位于所述氣缸的軸線上且包括多個燃料噴射孔的燃料噴射器，所述孔被設置為使得穿過該孔的燃料射流以偏離所述突起的表面15° -19°的角延伸，由此所述燃料射流首先沖擊所述凹部的下部的弓形側壁。發現將所述噴射器孔定向為使得從所述孔射出的燃料射流偏離所述突起的相鄰傾斜面進一步提高了發動機的效率，進一步減少了污染物的排放并減少所述氣缸壁上的油中的碳煙顆粒的夾帶。本發明不受任何特殊原因的限制，至于為什么如此，認為有如下原因在這類發動機中燃料噴射器孔通常被定向成使得燃料射流首先沖擊所述突起的圓錐形表面。該射流彈出圓錐形表面，然后直接移動到所述燃燒室外，或更通常的是與所述燃燒室的環形下部的弓形側壁的下部接觸。然后該射流固有地向上偏轉，也就是說朝活塞頂偏轉，然后至少大部分從所述燃燒室流出并進入所述氣缸。因此，燃料在所述燃燒室內繞沿基本上垂直于氣缸軸線的切線方向延伸的軸短暫地旋轉。要了解的是，該旋轉運動疊加到由進氣口引起的繞氣缸的軸線的旋轉運動上。因此燃料在所述燃燒室內的滯留時間相對短暫。然而，在根據本發明的發動機中，燃料射流的方向旋轉大約20° -40°，射流的方向偏離所述突起的相鄰表面。這意味著燃料射流首先固有地沖擊所述凹部的環形下部的曲線形側壁的上部，其曲率固有地使得燃料射流向下偏轉，也就是說遠離所述活塞頂且不朝向所述活塞頂。這意味著燃料繞垂直于氣缸軸線的軸線的二次旋轉運動與已知發動機中的旋轉運動相反。這固有地導致燃料在其二次旋轉運動中所覆蓋的距離增加，從而導致燃料在所述燃燒室的下部內的滯留時間也增加。這固有地導致改善燃料混合及蒸發，由此減少污染物及碳煙顆粒的產生。此外，如上所述，數量減少的碳煙顆粒被環狀凸緣引導離開所述氣缸壁，以使比例減少的碳煙顆粒夾帶在機油中。


根據下面對根據本發明的一種特定四氣門直噴式柴油機進行的描述，本發明的其他特征和詳情將變得顯而易見，只通過實例的方式參照附圖進行描述，其中圖1是根據本發明的活塞的上部的軸截面視圖；圖2是四氣門直噴式多缸柴油機的一部分的截面圖，僅示出了一個氣缸的上部和氣缸內位于上止點位置的活塞以及相關氣缸蓋的一部分。
具體實施例方式圖I中所示的活塞一般為常規形狀并具有大致平坦的上表面或頂部2。在所述活塞頂2內形成有相對于活塞的軸線4旋轉對稱并構成燃燒室的凹部。所述凹部在軸截面上由基底6及側壁限定，所述凹部如下文所述被分成兩部分，同軸的、大致圓錐形的突起5直立在所述基底上。所述凹部為大致ω形，包括離所述活塞頂2最遠的環形下部8以及離所述活塞頂最近的上部10，該上部的直徑向所述活塞頂逐漸增大。所述上部6及下部10由凸入所述燃燒室的環狀的截面為弓形的凸緣12分開。所述凸緣的弓形平滑并入所述側壁的上部14，所述側壁的上部限定所述凹部的上部10，同樣平滑并入所述側壁的弓形下部13，所述側壁的弓形下部13限定所述凹部的環形下部8。所述活塞的直徑D在該具體實施例中為103mm。所述凹部的上部10在與所述頂部2結合的圓形線處的最大直徑A在O. 72D-0. 76D之間，在該具體實施例中為76_。所述弓形環狀凸緣12的最小直徑B，即在其最高峰或頂點上的直徑在O. 54D-0. 58D之間，在該具體實施例中為58mm。所述突起5的外表面在橫截面上是線性的并在直徑C在O. 38-0. 42D之間的圓形線處并入基底6。所述凹部的最大深度H，即所述頂部2的平面與所述凹部的最深處之間的距離在O. 18D-0. 22D之間，在該具體實施例中為19. 6mm。所述凹部的上部10的深度h，即所述頂部2的平面與所述弓形凹部12的最高峰之間的距離在O. 06D-0. IOD之間，在該具體實施例中為6. 63mm。所述圓錐形突起5的夾角在104° -108°之間。凹部的側壁部14的限定其上部10的部分在軸截面上是凹形的。圖2示出了示意性地在圖I中示出的在多缸直噴式柴油機一個氣缸中的合適位置 的活塞。所述發動機包括限定氣缸的氣缸體20,所有氣缸由氣缸蓋22封閉。所述氣缸蓋22限定兩個進氣通道24，其中只有一個可見，進氣通道24由進氣門26以常見方式進行控制。進氣管24及進氣門26以已知方式構造以使準許通過該進氣管及進氣門的進入空氣在所述氣缸及由所述活塞頂中的凹部構成的燃燒室內大致繞活塞和氣缸的軸線4旋轉。所述氣缸蓋還限定兩個排氣通道28，其中只有一個可見，排氣通道28由排氣門30以常規方式進行控制。在所述氣缸蓋22內部也容納有燃料噴射器34，該燃料噴射器設置為與氣缸的軸線4平行并同軸。當所述活塞位于上止點位置時，所述燃料噴射器34終止于頂端34，該頂端34定位為略低于所述氣缸蓋下側的平面，并因此稍微延伸到活塞中的凹部中，如圖2所示。在所述燃料噴射器的頂端34形成有多個燃料噴射孔，所述燃料噴射孔定位成以一角度排出各自的燃料射流，該角度相對于所述圓錐形突起5的表面傾斜15° -19°的角度β。在使用時，所述燃料噴射器被操作以在所述活塞位于或非常靠近上止點位置時通過燃料噴射器孔將燃料噴射到活塞頂的凹部中。準許通過進氣通道24的空氣在所述燃燒室內繞軸線4迅速旋轉，噴射到所述燃燒室中的燃料36的射流以偏離所述突起5表面的角度噴射。因此，這些射流不直接沖擊所述突起5的表面，而是沖擊所述凹部的側壁的限定所述凹部的環形下部8的弓形部。這部分側壁的曲率及燃料射流在這部分上的入射角使得所述燃料射流向下偏轉，即朝所述凹部的基底偏離，因此使燃料沿如圖I和圖2右手邊所示的順時針方向旋轉，當然同時也使該燃料另外繞軸線4旋轉。因此，該燃料沿所述凹部的側壁的下部向下旋轉，然后在轉向向上移動之前沿所述凹部的基底大致水平向內旋轉，如圖2右手邊的箭頭示意性地所示。因此，延長了該燃料在所述燃燒室內的滯留時間，與最優化所述燃燒室的尺寸參數相關的該情況使燃料和空氣極其高效地混合，由此燃燒基本上完全，且非常高效，最大程度上減少了未燃盡碳氫化合物的量，同樣最大程度上減少了碳煙顆粒的生成。燃燒的燃料和空氣混合物然后離開燃燒室，進入氣缸的上部，該上部現在是可進入的，這事因為所述活塞遠離圖2所示的上止點位置向下移動。然而，環狀凸緣12凸入燃燒室與側壁的所述部分14的凹形結合意味著離開燃燒室的燃燒的燃料/空氣混合物在僅與氣缸側壁略微接觸的基本上豎直延伸的圓柱中離開，從而最大程度減少燃燒的燃料/空氣混合物在氣缸壁上局部驟冷，轉而最大程度減少NOx的生成。此外，燃燒的燃料/空氣混合物幾乎不與氣缸壁接觸意味著只有所產生的極少比例的數量減少的碳煙顆粒夾帶在涂覆 氣缸壁的油層中。
權利要求
1.一種四氣門直噴式柴油機活塞，所述活塞限定出包括形成在活塞頂中的凹部在內的燃燒室，所述凹部在軸截面上關于所述活塞的軸線旋轉對稱并由基底及側壁限定，大致圓錐形或截頭圓錐形的突起直立在所述基底上，所述凹部包括離所述活塞頂最遠的環形下部以及離所述活塞頂最近的上部，所述上部的直徑朝向所述活塞頂逐漸增大，所述上部及下部由延伸到所述凹部中的環狀的軸截面為弓形的凸緣分開，其特征在于，所述圓錐形或截頭圓錐形突起的夾角在104° -108°之間，所述凹部從所述基底到所述活塞頂的平面的最大深度為所述活塞的直徑的13% _22%，所述圓錐形或截頭圓錐形突起沿直徑為所述活塞的直徑的38% -44%的圓形線并入所述基底，所述凸緣的直徑為所述活塞的直徑的54% -59%，所述凸緣的最小直徑線位于距所述活塞頂的平面的距離為所述活塞的直徑的5% -10%處，且所述凹部的上部的直徑從在所述凸緣的最小直徑線處的所述活塞的直徑的54% -59%增加至在所述凹部的側壁與所述活塞頂的平面相交的線處的所述活塞的直徑的72% -76%。
2.根據權利要求I所述的活塞，其中所述圓錐形或截頭圓錐形突起的夾角大致為106。。
3.根據權利要求I或2所述的活塞，其中所述側壁的限定所述凹部的上部的部分的軸截面是凹形的。
4.一種直噴式柴油機,包括限定由氣缸蓋封閉并往復接收如權利要求1、2或3所述的相應活塞的至少一個氣缸的氣缸體，所述氣缸與所述氣缸蓋中的兩個進氣門及兩個排氣門連通，所述進氣門屬于被設置為使所述氣缸內的流入空氣基本上繞所述氣缸的軸線旋轉的類型，所述氣缸蓋另外攜帶有基本上位于所述氣缸的軸線上且包括多個燃料噴射孔的燃料噴射器，所述孔被設置為使得穿過該孔的燃料射流以偏離所述突起的表面15° -19°的角延伸，由此所述燃料射流首先沖擊所述凹部的下部的弓形側壁。
全文摘要
一種四氣門直噴式柴油機活塞，限定了包括活塞頂中的凹部(10)的燃燒室，該凹部(10)在軸截面上關于活塞的軸線旋轉對稱并由基底及側壁限定。大致圓錐形的突起(5)直立在所述基底上。所述凹部(10)包括環形下部(8)以及上部(10)，該上部(10)的直徑向所述活塞頂逐漸增大。所述凹部的上部及下部由延伸到所述凹部中的環狀弓形凸緣(12)分開。所述圓錐形突起(5)的夾角在104°-108°之間，所述凹部(10)的最大深度為活塞直徑的13％-22％，所述圓錐形突起(5)沿直徑為活塞直徑的38％-44％的圓形線并入所述凹部的基底，所述凸緣(12)的直徑為所述活塞的直徑的54％-59％，所述凸緣(12)的最小直徑線位于距所述活塞頂的平面的距離為所述活塞的直徑的5％-10％處，且所述凹部的上部(10)的直徑從所述凸緣的最小直徑線處的所述活塞的直徑的54％-59％增加至在所述凹部的側壁與所述活塞頂的平面相交的線處的所述活塞的直徑的72％-76％。
文檔編號F02B23/06GK102892992SQ201180007736
公開日2013年1月23日 申請日期2011年1月26日 優先權日2010年1月29日
發明者R·康沃爾, F·康尼賽樂 申請人:里卡多英國有限公司