内燃机中的活塞平衡散热和燃烧特性制造技术

一种用于内燃机的活塞包括内部形成有燃烧碗的活塞顶、围绕燃烧碗周向延伸的活塞边缘，以及在燃烧碗与活塞边缘之间的散热倒角。该倒角通过到油道的尺寸、角度或材料厚度中的至少一个被构造成平衡散热与燃烧特性。公开了相关的方法。

Balance heat dissipation and combustion characteristics of piston in internal combustion engine

A piston for internal combustion engine includes a piston top internally formed with a combustion bowl, a piston edge circumferentially extending around the combustion bowl, and a heat dissipation chamfer between the combustion bowl and the piston edge. At least one of the chamfer is constructed into a balanced heat dissipation and combustion characteristic through the size, angle, or material thickness of the oil channel. The relevant methods are disclosed.

【技术实现步骤摘要】
内燃机中的活塞平衡散热和燃烧特性
本专利技术总体涉及内燃机的活塞，更具体地涉及活塞体，其具有邻接燃烧碗和活塞边缘的倒角，并构造成平衡活塞的散热与燃烧特性。
技术介绍
在内燃机领域，已知有许多不同的操作策略和部件设计。在可以改变诸如加燃料、废气再循环、涡轮增压和可变气门致动等因素以产生不同的结果的方式相关方面，已经进行了数十年的研究和开发。除了这些和其它操作参数的变化之外，还在不同的方式方面进行了大量的研究和测试工作，诸如活塞的发动机部件可以成形和成比例，并且由各种材料形成。推动燃烧科学和相关研究进展的一个动机是希望减少发动机排气中某些排放物的相对数量，例如颗粒物质和氮氧化物或NOx。其它动机涉及改善或优化发动机性能、降低燃料消耗、限制部件磨损和/或疲劳、以及其它方面。为了适应各种不同的发动机操作和占空比模式，所做的努力已经产生了许多发动机操作策略和组件设计，这些可以在现有技术中看到。对于经受相对恶劣的工作条件(比如高温和频繁的温度波动)的某些发动机，特别有兴趣研发的一个领域包括活塞几何形状和材料。其它研究工作一直致力于制备非常适合相对极端机械胁迫条件的活塞。数十年的燃烧科学、材料和机械工程研究大致表明，活塞形状和特征方面看似微小的变化都可能会明显地且通常不可预知地影响排放和效率等因素。伊斯利等人共同拥有的美国专利号8,978,621(“伊斯利”)涉及具有燃烧碗的活塞，以平衡燃烧效率和排放特性。伊斯利专利提出了具有复合燃烧碗和复合边缘的活塞，复合燃烧碗和复合边缘之间突然过渡，这些特征一起希望影响诸如颗粒物质和NOx的排放，而不会过度地牺牲燃料效率。专利技术内容一方面，操作内燃机的方法包括将内燃机内的气缸中的活塞朝向上止点位置移动，使得气缸中的压力升高至达到或高于自燃压力，并直接将燃料喷射进气缸。该方法进一步包括当气缸中的压力达到或高于自燃压力时，使燃料和空气的混合物自燃，以及通过自燃混合物的燃烧对形成活塞端面的材料进行加热。端面形成燃烧碗、围绕活塞纵向轴线周向延伸并且具有朝向燃烧碗倾斜的弯曲轮廓的环形活塞边缘、以及在燃烧碗和环形活塞边缘之间轴向和径向延伸的散热倒角。该方法进一步包括将形成端面的材料的热量散发到通过活塞内的油道输送的油。另一方面，内燃机的活塞包括：活塞体，其被构造成在内燃机内的气缸中往复运动，以将气缸中的压力增加到自燃压力，以使燃料和空气的混合物自燃。活塞体限定了纵向轴线，其在第一轴向活塞主体端部(其包括在其内形成有燃烧碗的活塞端面和围绕燃烧碗周向延伸的环形活塞边缘)和第二轴向活塞主体端部(其包括活塞裙部和形成在活塞裙部内的活塞销)之间延伸。燃烧碗包括径向向外并轴向向下过渡到燃烧碗底板的凸起中心部分，以及从燃烧碗底板径向向外和轴向向上过渡到燃烧碗外边缘的凹形外部部分。环形活塞边缘包括弯曲轮廓，并朝向燃烧碗径向向内和轴向向下倾斜。活塞体进一步具有形成在其内的油道，以及围绕纵向轴线周向延伸且在燃烧碗外边缘和环形活塞边缘之间轴向和径向延伸的倒角。倒角尺寸、倒角朝向或倒角和油道之间的活塞体材料的厚度中的至少一个被构造成使得活塞的油道中的油的散热与燃烧特性平衡。又一方面，活塞顶包括活塞体顶部件，其被构造成与活塞体裙部件联接，以形成在其内具有油道并能够在内燃机内的气缸中往复运动的一体式活塞体，以将气缸内的压力增加至自燃压力，以使燃料和空气的混合物自燃。活塞体顶部件限定了纵向轴线，并且包括在其内形成有燃烧碗的活塞端面和围绕燃烧碗周向延伸的环形活塞边缘。燃烧碗包括径向向外并轴向向下过渡到燃烧碗底板的凸起中心部分，以及从燃烧碗底板径向向外并轴向向上过渡到燃烧碗外边缘的凹形外部部分。环形活塞边缘包括弯曲轮廓，并朝向燃烧碗径向向内并轴向向下倾斜。活塞体顶部件进一步包括围绕纵向轴线周向延伸、且在燃烧碗外边缘和环形活塞边缘之间轴向和径向延伸的倒角。倒角尺寸、倒角朝向或形成倒角的活塞体顶部件的材料的厚度中的至少一个被构造成平衡活塞的油道中的油的散热和燃烧特性。附图说明图1是根据一个实施例的内燃机的剖面侧视图；图2是根据一个实施例的活塞的剖面侧视图；以及图3是图2的活塞的一部分的剖面侧视图。具体实施方式参考图1，示出了根据一个实施例的内燃机10。内燃机10(以下称为“发动机10”)可以是压缩点火柴油发动机，其包括发动机壳体12和联接到发动机壳体12的发动机缸盖14。根据常规四冲程发动机循环，多个气体交换阀18可以至少部分地布置在发动机缸盖14内，并且可以以常规方式移动，以使空气进入发动机壳体12内形成的气缸16中，并使排气从气缸16排出。根据图1所示，气体交换阀18中的任一个可以被理解为进气阀或排气阀。发动机10可以进一步被直接喷射，为此，其包括布置在发动机缸盖14内并延伸到气缸16中的燃料喷射器20，以在其内直接喷射燃料。虽然图1中仅示出了一个气缸16，但是发动机10通常是具有4、6、8、10、12或更多个发动机气缸的多缸发动机。发动机壳体12中形成的多个气缸中的每一个可以与至少一个进气阀和至少一个排气阀以及燃料喷射器相关联。在其它实施例中，可以使用喷口设计或一些其它的燃料喷射或燃料输送策略。类似于可以是发动机10的一部分的任何其它活塞和气缸，活塞22可以按常规的方式在气缸16内的下止点位置和上止点位置之间移动。活塞22可以与布置在活塞销孔50内的活塞销24联接，该活塞销又与曲轴(未示出)相联接的连杆26联接。活塞环38被示出为布置在活塞22上。尽管图1中未示出气缸套，但本领域技术人员将理解，通常将使用气缸套，使得活塞22实际上在发动机壳体12内布置的气缸套内往复运动。发动机10还包括喷油器52，其布置和定向成以已知的方式朝向活塞22的下侧喷油，以用于冷却和润滑目的。活塞22可以进一步包括限定了纵向轴线36的复合活塞体30，其包括活塞体顶部件32、活塞体裙部件34和将活塞体顶部件32附接到活塞体裙部件34的焊缝35。发动机10在使用期间可能经历许多操作条件，包括压缩比可能大于15:1以及燃烧期间的缸内压力仍然很高，以及发动机气缸内的温度可能经常超过500℃。尽管发动机10及其内使用的部件不限于任何特定的操作策略或一组操作条件，但是本专利技术的教导可以在经历相对较高温度(通常高于450摄氏度，且在许多情况下高于500摄氏度)的发动机中发现特定应用。可以设想，形成活塞体30的材料可以被加热到约515℃至约535℃，或者可能更高的温度。从下面的描述中将进一步显而易见的是，活塞22可以被独特地构造成耐受苛刻的操作条件，特别是相对于上述温度极限和热循环。发动机10可以是相对较大缸径的柴油发动机，具有的发动机缸径为约100mm至约200mm，尽管本专利技术在这方面不受限制。现在还参考图2，示出了活塞22，图中示出了其它特征。应当理解，活塞体30被构造成在气缸16内往复运动，以将气缸16中的压力增加到自燃压力，以使燃料和空气的混合物(比如，直接喷射的柴油馏出物燃料)自燃。活塞主体30限定了纵向轴线36，其在第一轴向活塞主体端部38和第二轴向活塞主体端部46之间延伸。第一轴向活塞主体端部38包括在其内形成有燃烧碗42的活塞端面40和围绕燃烧碗42周向延伸的环形活塞边缘44。第二轴向活塞体端部46包括活塞裙部48和形成在活塞裙部48本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种操作内燃机的方法，其包括：将所述内燃机中的气缸中的活塞向上止点位置移动，使得所述气缸中的压力增加至达到或超过自燃压力；将燃料直接喷射到所述气缸中；当所述气缸中的压力等于或高于所述自燃压力时，使所述燃料和空气的混合物自燃；通过所述自燃混合物的燃烧，对形成所述活塞的端面的材料进行加热，所述端面形成燃烧碗、围绕纵向活塞轴线周向延伸并具有朝向所述燃烧碗倾斜的弯曲轮廓的环形活塞边缘，以及在所述燃烧碗和所述环形活塞边缘之间轴向和径向延伸的散热倒角；以及将形成所述端面的所述材料的热量散发到通过所述活塞内的油道输送的油。

【技术特征摘要】
2016.09.01 US 15/254,7041.一种操作内燃机的方法，其包括：将所述内燃机中的气缸中的活塞向上止点位置移动，使得所述气缸中的压力增加至达到或超过自燃压力；将燃料直接喷射到所述气缸中；当所述气缸中的压力等于或高于所述自燃压力时，使所述燃料和空气的混合物自燃；通过所述自燃混合物的燃烧，对形成所述活塞的端面的材料进行加热，所述端面形成燃烧碗、围绕纵向活塞轴线周向延伸并具有朝向所述燃烧碗倾斜的弯曲轮廓的环形活塞边缘，以及在所述燃烧碗和所述环形活塞边缘之间轴向和径向延伸的散热倒角；以及将形成所述端面的所述材料的热量散发到通过所述活塞内的油道输送的油。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述散热进一步包括将形成所述活塞端面的所述材料的热量散发到与所述活塞顶内形成所述油道的后侧冷却表面相接触的油；其中，所述散热进一步包括通过所述散热倒角和所述后侧冷却表面之间形成所述端面的所述材料的第一厚度、通过所述燃烧碗和所述后侧冷却表面之间的所述材料的第二厚度，以及通过所述环形活塞边缘和所述后侧冷却表面之间的所述材料的第三厚度来散热；其中所述第一厚度为所述第二厚度和所述第三厚度中的每一个的约100％至约150％。3.根据权利要求2所述的方法，其中形成所述端面的所述材料的所述加热进一步包括将所述材料加热至约515℃至约535℃的温度。4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括通过所述燃料和空气的自燃混合物的燃烧，以约2500千帕斯卡或更大的制动平均有效压力产生所述内燃机的约130千瓦或更大的功率输出；其中所述散热进一步包括将所述内燃机的功率输出的约8％或以下转移到所述油中；以及进一步包括通过所述油道以所述内燃机每千瓦时运转约5千克油或以下的流量将油进行输送。5.一种用于内燃机的活塞，其包括：活塞体，其被构造成在所述内燃机中的气缸中往复运动，以将所述气缸中的压力增加到使燃料和空气的混合物发生自燃的自燃压力，所述活塞体限定了纵向轴线，所述纵向轴线在其在第一轴向活塞主体端部和第二轴向活塞主体端部之间延伸，第一轴向活塞主体端部包括在其内形成有燃烧碗的活塞端面和围绕所述燃烧碗周向延伸的环形活塞边缘，并且第二轴向活塞主体端部包括活塞裙部和形成在所述活塞裙部内的活塞销；所述燃烧碗包括径向向外并轴向向下过渡到燃烧碗底板的凸起中心部分，以及从所述燃烧碗底板径向向外并轴向向上过渡到燃烧碗外边缘的凹形外部部分；所述环形活塞边缘包括弯曲轮廓，并朝向所述燃烧碗径向向内和向下倾斜；以及所述活塞体进一步具有形成在其内的油道，以及围绕所述纵向轴线周向延...

【专利技术属性】
技术研发人员：张舒，A·哈蒙，N·卢尔拉，
申请(专利权)人：卡特彼勒公司，
类型：发明
国别省市：美国,US