弧顶活塞顶部、弧顶活塞和燃烧室
技术领域
本公开涉及发动机领域，尤其涉及一种弧顶活塞顶部、弧顶活塞和燃烧室。
背景技术
发动机是大气污染物的主要排放源，同时也是碳排放的重要来源，发动机的年均石油消耗占据我国石油消耗总量的60％以上，其二氧化碳排放超过全国碳排放总量的10％。随着绿色发展理念的不断推进，发动机面临着日趋严苛的排放及油耗法规的挑战，研制高热效率近零排放发动机成为学术和工程界的首要目标。目前，高热效率汽油机研发主要依赖于高压缩比、外部冷却EGR(废气再循环)、低摩擦损失等技术手段。相较于柴油机，大排量汽油机拥有低噪音，低成本等优势，在高端商务客车、大皮卡等细分市场领域有较大的市场空间。相比于复杂的V型多缸布置型式，直列大缸径方案更具有成本优势。然而，对于大缸径汽油机而言，其火焰传播距离更长，爆震倾向更大，与高压缩比等技术结合实现高效开发存在很大的技术挑战。上述技术原因导致直列大缸径高效汽油机的开发十分困难。
活塞顶部作为发动机燃烧室中的重要组成部分，直接影响发动机的混合均匀性、火焰传播速度、放热率、传热损失及爆震倾向，进而影响发动机的性能。其中，爆震产生的根源在于末端混合气自燃，缸径越大、压缩比越高，其爆震倾向越大。
现有PFI汽油机活塞顶部多为平顶设计，很难高效的组织油气混合和改善湍动能分布，容易导致爆震现象发生，降低发动机动力且导致发动机的燃油经济性较差。部分机型通过在活塞顶部中心构建不规则凹坑，与其它结构共同作用，使得气流进入燃烧室后形成平面涡流，并由此加强了湍动能，提高了混合气质量，减少爆震倾向，但现有结构都是基于小缸径机型开发，很难在大缸径条件下实现同样的爆震抑制效果。
此外，现有异型活塞顶部一般设计为不规则形状，很难用加工实现，往往只能采用铸造而成，表面粗糙度较差，对进气滚流造成一定的损耗，同时需要与缸内直喷(GDI)协同应用，在大缸径PFI汽油机上应用存在一定的问题。
因此，如何通过进一步优化活塞顶部结构，改善发动机燃烧室内混合气流动，有效抑制大缸径高压缩比汽油机的爆震倾向，实现直列大缸径高效发动机的自主设计开发，是目前亟需解决的技术问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
现有技术通常采用加快燃烧速度、降低缸内温度等方法抑制爆震。发明人经深入研究发现，通过优化燃烧室结构可有效强化缸内燃油和空气的混合，加快燃烧速度、抑制爆震、提升EGR耐受性。申请人通过研究发现，通过设计优化活塞顶部燃烧室结构，可更好的改善缸内混合气流动，提高燃烧室滚流比和湍动能，效抑制大缸径高压缩比汽油机的爆震倾向，加快火焰传播速度，缩短燃烧持续期，提高燃烧稳定性，最终提升发动机动力性和经济性。本公开提出了一种弧顶活塞顶部及应用其的弧顶活塞和燃烧室，以至少解决上述现有技术中存在的问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本公开提供了一种弧顶活塞顶部，包括：弧形凹坑区，为碗状凹坑，所述弧形凹坑区位于所述弧顶活塞顶部中心处；两个锥面凸起区，所述锥面凸起区的第一端的高度高于所述锥面凸起区的第二端的高度，所述锥面凸起区的第一端与所述弧形凹坑区的外缘相接触，所述锥面凸起区的第二端延伸至所述弧顶活塞顶部的边缘；所述两个锥面凸起区分别位于所述弧形凹坑区的前侧和后侧，且所述两个锥面凸起区相对于所述弧形凹坑区对称布置。
在本公开的一些实施例中，还包括：
第一平顶区，为一平面，所述第一平顶区的一端与所述弧形凹坑区的左侧的外缘相接触，所述第一平顶区的另一端延伸至所述弧顶活塞顶部的边缘，所述第一平顶区位于所述两个锥面凸起区之间；
第二平顶区，为一平面且与所述第一平顶区共面，所述第二平顶区的一端与所述弧形凹坑区的右侧的外缘相接触，所述第二平顶区的另一端延伸至所述弧顶活塞顶部的边缘，所述第二平顶区位于所述两个锥面凸起区之间。
在本公开的一些实施例中，所述弧形凹坑区的外缘至所述弧形凹坑区的坑底的垂直距离为5～7mm，所述弧形凹坑区的半径为75～85mm。
在本公开的一些实施例中，所述锥面凸起区的锥面母线与第一平顶区或第二平顶区的平面的夹角为18°～22°。
在本公开的一些实施例中，所述第一平顶区包括：
两个进气门避让区，为圆弧状凹坑，所述两个进气门避让区分别开设于所述第一平顶区与所述两个锥面凸起区的交汇处；其中，所述两个进气门避让区中圆弧状凹坑的坑底法线与竖直方向的夹角为17°～20°。
在本公开的一些实施例中，所述第二平顶区包括：
两个排气门避让区，为圆弧状凹坑，所述两个排气门避让区分别开设于所述第二平顶区与所述两个锥面凸起区的交汇处；其中，所述两个排气门避让区中圆弧状凹坑的坑底法线与竖直方向的夹角为20°～24°。
本公开还提供了一种弧顶活塞，包括：
如上述所公开的弧顶活塞顶部；
头部，外径与所述弧顶活塞顶部的外径相同，所述外径为95～100mm，所述头部位于所述弧顶活塞顶部下方；
裙部，与所述头部下方固连。
在本公开的一些实施例中，所述头部包括：
导油槽，开设于所述头部的外圈；
活塞环，套设于所述导油槽内。
在本公开的一些实施例中，所述裙部还包括
连杆销孔，适用于旋转连接所述弧顶活塞的连杆。
本公开还提供了一种燃烧室，包括：
气缸壁；
如上述所公开的弧顶活塞，置于所述气缸壁内部，与所述气缸壁同轴滑动连接；
汽缸盖，与所述气缸壁的上部开口固连，与所述气缸壁组成一密闭腔体。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开的一种弧顶活塞及应用其的燃烧室至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本公开中的弧顶活塞顶部的弧形凹坑区与两个锥面凸起区的结构，可在较大程度上优化缸内气流运动形式，增加发动机进气行程中的气流运动速度，可应用于大缸径高效发动机的开发上，有效解决相关技术中大缸径高压缩比发动机的爆震现象。
(2)锥面凸起区可与平顶区共同实现气流运动形式的优化，形成更大尺度的滚流，燃烧室做功期间活塞压缩过程可使滚流破碎并转化为较强的湍动能，加速燃烧，进而显著改善爆震倾向，解决了大缸径发动机高压缩比技术的应用问题，可有效提升发动机的燃油经济性。
(3)本公开中的弧顶活塞顶部及锥面凸起结构，通过与发动机气道协同匹配，不依赖于GDI系统，适用于成本更低的气道喷射(PFI)。可有效拓展传统气道喷射PFI汽油机高压缩比技术的应用工况极限，在较低的喷射压力下实现爆震的抑制和燃油经济性的改善。
(4)本公开中的弧顶活塞顶部的边缘结构可使燃烧室内的燃料在活塞顶部的边缘区域形成湍流，尤其是适应于大缸径的设计，可有效增强燃烧室外缘等敏感区域的燃料流动及换热，改善爆震倾向。
(5)本公开中的弧顶活塞顶部的结构易于使用镜面加工工艺加工制造，可减少流动损失，进而增加燃料在缸内的流动强度，提升燃烧速度，降低燃油消耗，增强发动机低速动力性，改善整车驾驶感和燃油经济性。
附图说明
图1是本公开实施例中的弧顶活塞顶部的立体图；
图2是本公开实施例中的弧顶活塞顶部的俯视图；
图3是图2沿A-A方向的剖视图；
图4是图2沿B-B方向的剖视图；
图5是图2沿C-C方向的剖视图；
图6是本公开实施例中的弧顶活塞的主视图；
图7是平顶燃烧室立体图；
图8是异形燃烧室立体图；
图9是本公开实施例中的弧顶活塞燃烧室与传统平顶活塞燃烧室的瞬态滚流对比图；
图10是本公开实施例中的弧顶活塞燃烧室与传统平顶活塞燃烧室的瞬态湍动能对比图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-第一平顶区；
2-弧形凹坑区；
3-锥面凸起区；
31-锥面凸起区的第一端；
32-锥面凸起区的第二端；
4-排气门避让区；
5-进气门避让区；
6-第二平顶区；
7-顶部；
8-头部；
9-裙部；
10-导油槽；
11-活塞环；
12-连杆销孔。
具体实施方式
本公开提供了一种弧顶活塞顶部、弧顶活塞和燃烧室，其弧顶活塞顶部，包括：弧形凹坑区和两个锥面凸起区。弧形凹坑区为碗状凹坑，位于弧顶活塞顶部中心处；锥面凸起区的第一端的高度高于锥面凸起区的第二端的高度，锥面凸起区的第一端与弧形凹坑区的外缘相接触，锥面凸起区的第二端延伸至弧顶活塞顶部的边缘；两个锥面凸起区分别位于弧形凹坑区的前侧和后侧，且两个锥面凸起区相对于弧形凹坑区对称布置。该弧顶活塞顶部可应用于大缸径高压缩比发动机上，能在较大程度上增加发动机进气行程中的气流运动速度，提升压缩行程及其末端的湍动能，有效解决相关技术中大缸径高压缩比发动机的爆震现象。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。但是，本公开能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本公开的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。
本公开提供了一种弧顶活塞顶部，如图1所示，该弧顶活塞顶部包括：弧形凹坑区2和两个锥面凸起区3。弧形凹坑区2为碗状凹坑，位于弧顶活塞顶部中心处。锥面凸起区的第一端31的高度高于锥面凸起区的第二端32的高度，锥面凸起区的第一端31与弧形凹坑区2的外缘相接触，锥面凸起区的第二端32延伸至弧顶活塞顶部的边缘；两个锥面凸起区3分别位于弧形凹坑区2的前侧和后侧，且两个锥面凸起区3相对于弧形凹坑区2对称布置。
上述弧形凹坑区2和锥面凸起区3的组合设计，可在较大程度上增加发动机进气行程中的气流运动速度。
如图1和图2所示，该弧顶活塞顶部还包括：第一平顶区1和第二平顶区6。第一平顶区1为一平面，第一平顶区1的一端与弧形凹坑区2的左侧的外缘相接触，第一平顶区1的另一端延伸至弧顶活塞顶部的边缘，第一平顶区1位于两个锥面凸起区3之间。第二平顶区6为一平面且与第一平顶区1共面，第二平顶区6的一端与弧形凹坑区2的右侧的外缘相接触，第二平顶区6的另一端延伸至弧顶活塞顶部的边缘，第二平顶区6位于两个锥面凸起区3之间。
锥面凸起区3可与平顶区的结合，实现了气流运动形式的优化，形成大尺度的滚流，燃烧室做功期间活塞压缩过程可使滚流破碎并转化为较强的湍动能，加速燃烧，进而显著改善爆震倾向，解决了大缸径发动机高压缩比技术的应用问题，可有效提升发动机燃烧室的燃油经济性。
上述弧形凹坑区2及锥面凸起去的组合设计可在较大程度上增加燃烧室进气行程的气流运动速度，提升滚流强度；在燃烧室压缩终了时刻，依托活塞顶部的锥面凸起区3的特殊结构设计，能有效使滚流破碎，转化为较强的湍动能，加速燃烧过程。尤其是在燃烧室外缘等爆震敏感区域，相比传统技术方案，可形成局部微湍流，有效增强该区域的流动与换热，显著改善了爆震倾向。
如图2和图3所示，第一平顶区1包括：两个进气门避让区5。进气门避让区5为圆弧状凹坑，两个进气门避让区5分别开设于第一平顶区1与两个锥面凸起区3的交汇处；其中，两个进气门避让区5中圆弧状凹坑的坑底法线与竖直方向的夹角仪为17°～20°。第二平顶区6包括：两个排气门避让区4。排气门避让区4为圆弧状凹坑，两个排气门避让区4分别开设于第二平顶区6与两个锥面凸起区3的交汇处；其中，两个排气门避让区4中圆弧状凹坑的坑底法线与竖直方向的夹角β为20°～24°。
图4表示图2沿B-B方向的剖视图，弧形凹坑区2的外缘至弧形凹坑区2的坑底的垂直距离d为5～7mm，弧形凹坑区2的半径R为75～85mm。
图5表示图2沿C-C方向的剖视图，两个锥面凸起区3的锥面母线与第一平顶区1或第二平顶区6的平面的夹角y为18°～22°。
本公开的上述弧顶活塞顶部可在其边缘区域形成微湍流，有效增强其流动与换热，大大改善了爆震倾向。
本公开还提供了一种弧顶活塞，如图6所示，该弧顶活塞包括前文的顶部7、头部8和裙部9。头部8的外径与顶部7的外径相同，该外径的为95～100mm，该头部8位于顶部7下方，裙部9与头部8的下方固连。
如图6所示，该弧顶活塞的头部8包括：开设于头部8外圈上的导油槽10和套设与导油槽10内的活塞环11。
该弧顶活塞的裙部9包括一连杆销孔12，用于旋转连接弧顶活塞的连杆。该连杆通过连接发动机曲轴，带动弧顶活塞上下移动对外做功。
导油槽10用于安装弧顶活塞的活塞环11，形成润滑油路，实现对弧顶活塞的润滑。具体为，活塞环11的外圈与燃烧室中气缸壁的内壁相接触，活塞环11随弧顶活塞的滑动将气缸壁上的残留燃油导入导油槽10内完成对弧顶活塞的润滑，延长弧顶活塞的使用寿命。
该弧顶活塞顶部7的第一平顶区1或第二平顶区6距连杆销孔12中心的距离为32～36mm。
该弧顶活塞顶部7的进气门避让区5和排气门避让区4是保证活塞与气门安全距离的区域，该区域整体为圆弧结构，分别与弧形凹坑区2、锥面凸起区3、第一平顶区1和第二平顶区6相交。进气门避让区5和排气门避让区4中心法线与发动机气门的中心线同轴，其中进气门避让区5的半径为20～22mm，进气门避让区5中圆弧状凹坑的坑底与连杆销孔12的距离为38～42mm；排气门避让区4的半径为17～19mm，排气门避让区4中圆弧状凹坑的坑底与连杆销孔12的距离为41～45mm。
本公开实施例的弧顶活塞结构使用的活塞直径范围为95～100mm。
此外，图7和图8分别示出了相关技术中的平顶燃烧室立体图和异形燃烧室立体图，上述两种活塞的顶部结构均无法实现加工，须采用铸造的形式加工，其铸造生产的工序繁多，工艺过程控制较繁琐，废品率高。
与此不同的是，本公开中的弧顶活塞的顶部7中的第一平顶区1、第二平顶区6、弧形凹坑区2和锥面凸起区3可采用镜面加工工艺，该设计结构易加工，其表面粗糙度精度可达到Ra3.2以上。
上述镜面加工工艺可减少流动损失，实现更佳的油气混合效果。增加气缸内流动强度，进一步改善爆震。通过上述技术措施，可有效解决大缸径汽油机高压缩比技术的应用问题，有效降低了燃油消耗率，增强了低速动力性，明显改善整车驾驶感和燃油经济性。
本公开还提供了一种应用上述弧顶活塞的燃烧室，该燃烧室包括：气缸壁、弧顶活塞和汽缸盖。其中，弧顶活塞置于气缸壁内部，与气缸壁同轴滑动连接；汽缸盖与气缸壁的上部开口固连，与气缸壁组成一密闭腔体。
通过将弧顶活塞顶部中心区域设计成易于加工的大尺度弧形凹坑区2的结构，同时两个锥面凸起区3与第一平顶区1和第二平顶区6共同作用，可显著优化气流运动形式，形成更大尺度的滚流，尤其是在燃烧室压缩终了时刻，依赖于活塞顶部的锥面凸起区3等设计，能有效使滚流破碎，转化为较强的湍动能，加速燃烧过程，显著改善了爆震倾向，解决了大缸径汽油机高压缩比技术的应用问题，有效提升了燃油经济性。
由图9可以看出，本公开的弧顶活塞燃烧室的瞬态滚流比明显高于传统平顶活塞燃烧室的瞬态滚流比；由图10可以看出，本公开的弧顶活塞燃烧室的瞬态湍动能明显大于传统平顶活塞燃烧室的瞬态滚流比。由此可知，应用本公开所提出的弧顶活塞燃烧室的燃烧效果较好，发动机的动力较强。
活塞顶燃烧室的设计直接影响发动机的油气混合均匀性、火焰传播速度、放热率传热损失及爆震倾向，进而影响发动机性能。通过上述设计优化燃烧室结构，可更好的改善汽油发动机燃烧特性，提高燃烧室滚流比和湍动能，加快火焰传播速度，缩短燃烧持续期，提高燃烧稳定性，减小爆震倾向，最终提升发动机动力性和经济性。
本公开的应用上述弧顶活塞的燃烧室可不依赖于GDI直喷系统实现高压缩比方案的实施，有效降低了系统开发成本，使大缸径高压缩比汽油机在商用车等领域的使用成为可能。本公开的燃烧室不依赖于GDI系统，针对成本更低的气道喷射(PFI)研发，在较低的喷射压力下，通过活塞顶部燃烧室的优化设计，与气道等协同匹配，同样可应用于高压缩比机型，有效提升了传统PFI汽油机高压缩比技术的应用范围。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造，并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
- 上一篇：石墨接头机器人自动装卡簧、装栓机
- 下一篇：一种前罩壳及其加工方法
