技术领域
[0001] 本
发明主要涉及用于发动机的活塞，更具体地涉及这种活塞的燃烧碗。
背景技术
[0002] 发动机(例如但不限于
天然气发动机、
柴油发动机、
汽油发动机以及工业上公知的其他发动机)中的
燃料燃烧通常产生废气副产物的复杂混合物。这种废气副产物可以包括
碳氢排放物、氮
氧化物(NOx)和颗粒物质，例如烟灰和粉尘，而这些通常是不好的。人们正在不断努
力，想要进一步降低这些排放到环境中的废气副产物的
水平。然而，找到降低这些废气副产物水平的方法通常需要在达到可接受的降低水平与维持燃烧效率之间实现平衡。
[0003] 已经尝试过各种不同的
燃烧室设计方案来减少废气副产物的产生同时又不牺牲燃烧效率。例如，燃烧碗通常设置在活塞的燃烧面中并限定燃烧室的一部分，其结构形状可以被配置为在燃烧室中产生燃料和空气的理想分布。
[0004] 美国
专利No.7,942,126(‘126专利)公开了一种具有一体形成的活塞凹槽的活塞顶部。活塞凹槽包括环形阶梯状空间。活塞的阶梯状空间与燃烧空间可操作地相互作用，以促进燃烧空间内的燃料偏转。尽管‘126专利的燃烧室的目的是减少烟灰和烟雾的产生，但仍有待继续寻求减少废气副产物的改进。
发明内容
[0005] 根据本发明的一个方面，提供了一种用于发动机的活塞。该活塞可以包括在第一轴向区域与第二轴向区域之间延伸的本体。活塞顶可以设置在第一轴向区域处，对称地围绕活塞的中心纵向轴线。第一碗可以凹入本体中，并可以包括第一弯曲壁。第一弯曲壁可以在碗唇缘处过渡到活塞顶。碗唇缘可以包括碗唇缘直径。第一弯曲壁可以包括第一壁直径。第一壁直径可以大于碗唇缘直径。第二碗可以凹入本体中，并且可以设置为从第一碗轴向向内。第二碗可以包括第二弯曲壁。第二弯曲壁可以在
顶点处过渡到第一碗中。顶点可以包括顶点直径。第二弯曲壁可以包括第二壁直径。第二壁直径可以大于顶点直径。
[0006] 根据本发明的另一个方面，提供了一种用于发动机。该发动机可以包括发动机壳体，发动机壳体包括设置在其中的
气缸。气缸可以包括
气缸直径。气缸盖可以连接到发动机壳体。气缸盖可以包括设置为从其中穿过的燃料喷射器。燃料喷射器可以被配置为将燃料喷入气缸中。活塞可以可操作地设置在气缸中，并且可以包括活塞顶。燃烧碗可以凹入活塞中，并且可以设置为对称地围绕中心纵向轴线。燃烧碗可以包括第一碗和第二碗。第二碗可以设置为从第一碗轴向向内。第一碗可以包括第一凹
角，其角度范围为垂直0度至15度。第二碗可以包括第二凹角，其角度范围为垂直0度至15度。
[0007] 根据本发明的又另一个方面，提供了一种用于发动机。该活塞可以包括在第一轴向区域与第二轴向区域之间延伸的本体。活塞顶可以设置在第一轴向区域处，对称地围绕活塞的中心纵向轴线。第一碗可以凹入本体中，并且可以包括第一凹角，其角度范围为垂直0度至15度。第二碗可以凹入本体中，并且设置为从第一碗轴向向内。第二碗可以包括第二凹角，其角度范围为垂直0度至15度。
[0008] 结合
附图阅读以下详细描述，将更容易理解本发明的这些和其他方面和特征。本文所描述的不同
实施例的各方面可以相互结合或相互替代。
附图说明
[0009] 图1是根据本发明的一个实施例的示例性车辆的透视图；
[0010] 图2是根据本发明的一个实施例的发动机的发动机壳体的局部剖视图，示出了可操作地设置在气缸中的活塞；
[0011] 图3是根据本发明的一个实施例的活塞的燃烧碗的剖视图；
[0012] 图4是根据本发明的一个实施例的活塞的俯视图，示出了其燃烧碗；
[0013] 图5是是根据本发明的一个实施例，沿线4-4截取的图4的燃烧碗的局部剖视图；
[0014] 图6是根据本发明的一个可选实施例的燃烧碗的俯视图；并且
[0015] 图7是示出了可以根据本发明的教导进行实施的示例性步骤顺序的
框图。
[0016] 需要注意的是，附图仅仅示出了典型的实施例，因此不应被理解为对本发明或
权利要求的范围进行限制。相反，本发明的概念可以应用在其他等效实施例中。而且，附图不一定按比例绘制，通常重点在于说明某些实施例的原理。
具体实施方式
[0017] 现在参照图1，根据本发明构造的示例性车辆通常由附图标记10表示。尽管示例性示出的是越野载重车，但是车辆10还可以是在各种行业(举例来说，例如但不限于采矿、土方、农业、石油开采和建筑等行业)中使用的任何类型的车辆。车辆10包括发动机12。发动机12可以是任何类型的发动机，例如但不限于天然气发动机、柴油发动机、
汽油发动机以及工业中公知的其他发动机。
[0018] 参照图2，发动机12包括发动机壳体14或发动机缸体。气缸盖16连接到发动机壳体14。发动机壳体14包括设置在其中的气缸18。活塞20可操作地设置在气缸18中，用于在其中进行往复运动。气缸18可以包括中心纵向气缸轴线22，其与活塞20的中心纵向活塞轴线24对齐。气缸18包括气缸直径19。气缸直径19的范围为大约120mm至300mm。在一些实施例中，气缸直径19为175mm。尽管为了简化的目的，仅描述了一个气缸18，但应当理解的是，发动机
12可以包括任何数量的气缸，并且气缸可以设置为“直线”结构、“V形”结构或工业中已知的任何其他结构。
[0019] 活塞20包括在活塞20的第一轴向区域28与第二轴向区域30之间延伸的本体26。本体26大体上是圆柱形的。在一些实施例中，在第一轴向区域28与第二轴向区域30之间的本体26的外圆柱表面中设置有复数个
活塞环槽32。复数个活塞环槽32被配置为容纳油环、压缩环或工业中公知的任何其他环。活塞20的第一轴向区域28包括凹入本体26中的燃烧碗34。当活塞20可操作地设置在气缸18内时，第一轴向区域28和燃烧碗34面向气缸盖16。而且，发动机12包括燃烧室36，其可由气缸18、气缸盖16以及燃烧碗34共同限定。发动机12还包括燃料喷射器38，其设置为穿过气缸盖16，使得燃料喷射器38的复数个
喷嘴40设置在燃烧室36中。燃料喷射器38被配置为通过复数个喷嘴40将燃料喷入燃烧室36并喷向燃烧碗
34。在一些实施例中，燃料喷射器38设置为对称地围绕中心纵向气缸轴线22。尽管在一些实施例中，复数个喷嘴40设置为对称地围绕中心纵向气缸轴线22，但在其他实施例中，复数个喷嘴40并非对称设置，例如在双尖喷嘴的情况下。
[0020] 参照图3和图4，活塞20的燃烧碗34设置为对称地围绕中心纵向活塞轴线24。活塞20包括活塞顶42，其也设置为对称地围绕中心纵向活塞轴线24。活塞顶42设置在第一轴向区域28处并且包括外边缘44、内边缘46和设置在外边缘44与内边缘46之间的面48。外边缘
44包括外径50。外径50的范围为大约155.38mm至189.91mm，并且在一些实施例中，大约为
172.645mm。
[0021] 在一些实施例中，活塞顶42包括复数个凹部52，其轴向凹入面48中。例如，复数个凹部52可以包括四个凹部，这些凹部凹入面48中，复数个凹部52中的每一个凹部均等地彼此周向间隔开，如图4所示。复数个凹部52被配置为容纳相应的
阀(未示出)，这些阀可操作地设置在气缸盖16中，用于防止阀与面48
接触。复数个凹部52中的每个凹部都以适当的深度轴向地凹入面48中，以适于容纳阀，从而防止阀与面48接触。在这种实施例中，复数个凹部52中的每个凹部均包括凹部边缘54，其相对于活塞顶42的内边缘46轴向偏移并与之共轴。
[0022] 再参照图3，活塞20的燃烧碗34包括第一碗56和第二碗58。第一碗56通常是环形的、凹陷的。第一碗56与中心纵向活塞轴线24径向对齐。第一碗56包括第一弯曲壁60和第一底面62。第一弯曲壁60在第一弯曲表面64处过渡到第一底面62中。第一底面62包括第一底面角65，其范围为大约120度至180度。而且，第一弯曲壁60在碗唇缘66处过渡到活塞顶42的内边缘46中，如图5所示。碗唇缘66包括碗唇缘直径68，如图4所示。碗唇缘直径68的范围为气缸直径19的大约80％至90％。在一些实施例中，碗唇缘直径68为147.2mm。在包括复数个凹部52的实施例中，第一弯曲壁60也在凹部唇缘70处过渡到每个凹部边缘54中，如图3所示。在这种实施例中，凹部唇缘70包括凹部唇缘直径72(如图4所示)，其与碗唇缘直径68相等。
[0023] 第一弯曲壁60包括第一壁直径74，其被限定为第一碗56的最大直径，如图3所示。由此，第一壁直径74大于碗唇缘直径68。在第一壁直径74处，第一弯曲壁60随着它向碗唇缘
66轴向前进而径向向内弯曲。此外，具体参照图5，第一碗56包括第一凹角76，其被限定为由第一切线78和第二切线80所表示的角度，第一切线在第一壁直径74处与第一弯曲壁60垂直相切，第二切线与第一弯曲壁60和碗唇缘66相切。第一凹角76的范围为大约垂直0度至15度。在一些实施例中，第一凹角76为14度。
[0024] 参照图3-5，第二碗58也与中心纵向活塞轴线24径向对齐，并设置为从第一碗56轴向向内。第二碗58通常是环形的、凹陷的。第二碗58包括第二弯曲壁82和第二底面84。第二底面84在第二弯曲表面86处过渡到第二弯曲壁82中。而且，第二底面84通常是截头圆锥形，并且在第二弯曲表面86与中心顶点88之间延伸，该中心顶点设置在中心并对称地围绕中心纵向活塞轴线24。尽管中心顶点88示出为包括设置为从其中穿过的孔90(为了便于装配和拆卸)，但是可以理解的是，在一些实施例中，中心顶点88可能达到
临界点。随着第二底面84从中心顶点88径向向外移动时，它沿第二轴向区域30的方向轴向倾斜并过渡到第二弯曲表面86中，其沿第一轴向区域28的方向变为第二弯曲壁82。第二底面84包括第二底面角92。第二底面角92的范围为大约120度至180度。在一些实施例中，第二底面角92为127度。
[0025] 第二弯曲壁82在顶点94处过渡到第一碗56的第一底面62中。顶点94通常是圆形的、环形的。顶点94包括顶点直径96，如图4所示。顶点直径96的范围为气缸直径19的大约62％至72％。在一些实施例中，顶点直径96大约为118.3mm。顶点94设置为从碗唇缘66径向向内。顶点94还包括顶点半径98。顶点半径98的范围为大约0.5mm至3mm。在一些实施例中，顶点半径98为大约2mm。
[0026] 而且，第二弯曲壁82包括第二壁直径100，其被限定为第二碗58的最大直径，如图3所示。因此，第二壁直径100大于顶点直径96。在第二壁直径100处，第二弯曲壁82随着它朝向顶点94轴向前进而径向向内弯曲。此外，具体参照图5，第二碗58包括第二凹角102，其被限定为由第三切线104和第四切线106所表示的角度，第三切线在第二壁直径100处与第二弯曲壁82垂直相切，第四切线与第二弯曲壁82和顶点94相切。第二凹角102的范围为大约垂直0度至15度。在一些实施例中，第二凹角102为14度。
[0027] 再参照图3，第一碗56的第一弯曲表面64包括第一弯曲表面半径108。第一弯曲表面半径108相应地在第一弯曲表面64上限定第一碗56相对于活塞顶42的最低点，并且包括第一弯曲表面深度110。第一弯曲表面深度110的范围为大约7mm至9mm。在一些实施例中，第一弯曲表面深度110为大约7.8mm。第一弯曲表面半径108的范围为大约5.0mm至5.8mm。在一些实施例中，第一弯曲表面半径108为大约5.2mm。
[0028] 第二碗58的第二弯曲表面86包括第二弯曲表面半径112。第二弯曲表面8半径112相应地在第二弯曲表面86上限定第二碗58相对于活塞顶42的最低点，并且包括第二弯曲表面深度114。第二弯曲表面度114大于第一弯曲表面深度110。第二弯曲表面半径112的范围为大约9mm至10mm。在一些实施例中，第二弯曲表面半径112为大约9.4mm。此外，第二弯曲表面半径112的中心116包括中心直径118。中心直径118的范围为气缸直径19的大约54％至64％。在一些实施例中，中心直径118为大约101.7mm。
[0029] 图6示出了燃烧碗34的一个实施例，其具有如上所述的特征，除了没有凹入活塞顶42的面48中的复数个凹部52。因此，第一弯曲壁60在碗唇缘66处连续过渡到活塞顶42的内边缘46，与包括复数个凹部52的实施例(其中第一弯曲壁60在碗唇缘66处过渡到内边缘46)相反，它通常是环形的，并且第一弯曲壁在沿周向连续的碗唇缘之间在每个凹部唇缘70处过渡到每个凹部边缘54。
[0031] 总体上，本发明可以适用于在任何工业环境的发动机中使用的活塞，例如如但不限于采矿、土方、农业、石油开采和建筑行业。作为非限制性示例，发动机12可以是天然气发动机。通过利用本文所公开的系统和方法，活塞20的燃烧碗34的第一碗56和第二碗58提供了可以减少碳氢排放物的燃烧室36。此外，本发明的燃烧碗34还可以尽可能减少烟雾排放并降低气缸盖16的
温度。
[0032] 例如，在发动机12运行过程中，通过燃料喷射器38的复数个喷嘴40直接喷入的燃料被分到第一碗56和第二碗58这两个区域。具体地，进入第一碗56的燃料可以绕过第一弯曲表面64朝向第一弯曲壁60流动，结果，由于第一凹角76的范围为大致垂直0度至15度，燃料轴向向外和径向向内地流向中心纵向活塞轴线24。同样，进入第二碗58的燃料可以绕过第二弯曲表面86朝向第二弯曲壁82流动，结果，由于第二凹角102的范围为大致垂直0度至15度，燃料轴向向外和径向向内地流向中心纵向活塞轴线24。与其他设计相比，燃料的这种分布可以促进更有效的燃烧，并且可以减少碳氢排放。
[0033] 图7示出了范例顺序的框图700，可以执行范例顺序以操作包括可操作地设置在发动机的气缸中的活塞的发动机。方框710示出了使活塞20往复运动，远离发动机12的气缸盖16，以便将空气吸入气缸18。接着，活塞20朝气缸盖16往复运动以便压缩空气，如方框712所示。随着空气被压缩，燃料被注入包括第一碗56和第二碗58的燃烧碗34中，如方框714所示。
第一碗56包括第一凹角76，用于朝向活塞20的中心纵向活塞轴线24轴向向外和径向向内地引入燃料。同样，第二碗58包括第二凹角102，用于朝向活塞20的中心纵向活塞轴线24轴向向外和径向向内地引入燃料。点火后，燃料使活塞20往复运动，远离气缸盖16，活塞20再次往复运动，接近气缸盖16以离开气缸18，如方框716所示。然后，可以使活塞20往复运动，远离气缸盖16，如方框710的返回路径所示。
