CN115324767A - 活塞燃烧室及其设计方法、活塞及发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活塞燃烧室及其设计方法、活塞及发动机，活塞燃烧室的内侧壁上设置有台阶凸起；台阶凸起具有第一导向面及第二导向面，第一导向面用于导向燃油向靠近活塞燃烧室的顶部的方向运动，第二导向面用于导向燃油向靠近活塞燃烧室的底部的方向运动，活塞燃烧室位于喷油束的中心线上方的容积与位于喷油束的中心线的下方的容积相等，能够使得燃油快速均匀的充满整个活塞燃烧室；活塞燃烧室的内侧壁上还设置有阻挡部。当燃油为天然气时，阻挡部能够阻挡第一导向面上的天然气向活塞燃烧室的顶端边缘流动，避免了天然气与空气在边缘混合不均的问题，即本发明兼顾了喷柴油及天然气的情况，满足了HPDI发动机的使用需求。

Description

活塞燃烧室及其设计方法、活塞及发动机

技术领域

本发明涉及动力***技术领域，尤其是涉及一种活塞燃烧室及其设计方法、活塞及发动机。

背景技术

目前，柴油机的燃烧模式为扩散燃烧，通过较强的涡流比匹配复杂的燃烧室型线，实现缸内柴油与空气的均匀混合，进而实现更好的燃烧效果。

HPDI发动机（高压直喷发动机）活塞型线的设计原则是完全借用柴油机的经验。虽然与柴油机相同，HPDI发动机的燃烧模式也是扩散燃烧，但不同之处在于，HPDI为先喷柴油，紧接着喷天然气，柴油压燃后再引燃天然气。

柴油机相比HPDI发动机，轨压高，柴油的惯性力大，利用轨压高及柴油惯性力大的特点，柴油机的燃烧室内设计多个台阶，将柴油引导到燃烧室外的活塞顶面，充分利用压缩余隙的空间。然而，HPDI发动机喷油器还会喷出天然气，而天然气更易扩散，故不需要多个台阶来扰乱天然气的运动，且多个台阶会引导更多的天然气走向燃烧室的右上角，不利于天然气与空气的混合。也就是说，柴油机的燃烧室无法同时兼顾喷柴油及天然气的情况，即柴油机的燃烧室无法满足HPDI发动机的使用需求。

因此，如何实现燃烧室兼顾喷柴油及天然气的情况，以满足HPDI发动机的使用需求是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个目的是提供一种活塞燃烧室，旨在兼顾喷柴油及天然气的情况，以满足HPDI发动机的使用需求。

本发明的第二个目的是提供一种活塞燃烧室设计方法。

本发明的第三个目的是提供一种活塞。

本发明的第四个目的是提供一种发动机。

为了实现上述第一个目的，本发明提供了如下方案：

一种活塞燃烧室，所述活塞燃烧室为开设在活塞顶端的凹坑；

所述活塞燃烧室的内侧壁上设置有台阶凸起；

所述台阶凸起具有沿着所述活塞燃烧室的高度方向依次光滑连接的第一导向面及第二导向面，所述第一导向面用于导向燃油向靠近所述活塞燃烧室的顶部的方向运动，且所述第一导向面的顶端位于喷入所述活塞燃烧室内的喷油束的顶端的上方，所述第二导向面用于导向燃油向靠近所述活塞燃烧室的底部的方向运动，所述活塞燃烧室位于所述喷油束的中心线上方的容积与位于所述喷油束的中心线的下方的容积相等；

所述活塞燃烧室的内侧壁上还设置有用于阻挡所述第一导向面上的燃油向所述活塞燃烧室的顶端边缘流动的阻挡部，所述阻挡部的底端与所述第一导向面的顶端连接。

在一个具体的实施方案中，所述阻挡部为竖直设置的面。

在另一个具体的实施方案中，所述第一导向面的顶端到所述活塞燃烧室的中心线的距离D1=0.3~0.4D，其中，D为发动机的缸径；

所述第二导向面的底端到所述活塞燃烧室的中心线的距离D2=0.275~0.325D；

所述第一导向面与所述第二导向面的连接处到所述活塞燃烧室的中心线的距离d=0.9~1D2；

所述活塞燃烧室的顶部边缘到所述活塞燃烧室的中心线的距离D3=0.3~0.4D；

所述活塞燃烧室的顶部到所述活塞燃烧室的底部的距离T=0.25~0.3D2；

所述第一导向面的倾斜角度大于15°，且小于30°。

在另一个具体的实施方案中，所述活塞燃烧室的底部的中心位置处设置有中央凸起结构，所述中央凸起结构的顶部与所述活塞燃烧室的顶部相距预设的距离；

所述中央凸起结构的表面光滑过渡至所述活塞燃烧室的底部弧形凹面的一端，所述底部弧形凹面的另一端与所述第二导向面光滑连接。

在另一个具体的实施方案中，所述底部弧形凹面与所述第二导向面相外切设置；

和/或

所述活塞燃烧室的偏心量小于或者等于3mm。

根据本发明的各个实施方案可以根据需要任意组合，这些组合之后所得的实施方案也在本发明范围内，是本发明具体实施方式的一部分。

为了实现上述第二个目的，本发明提供了如下方案：

一种活塞燃烧室设计方法，包括：

步骤S1：确定喷油件的喷雾锥角；

步骤S2：根据所述喷雾锥角设计活塞燃烧室，在所述活塞燃烧室的内侧壁设置台阶凸起及位于所述台阶凸起上方的阻挡部，使得喷油件喷出的喷油束的顶端不超过所述台阶凸起的第一导向面的顶端，并使得阻挡部能够阻挡所述第一导向面上的燃油向所述活塞燃烧室的顶端边缘流动。

在一个具体的实施方案中，步骤S2具体包括：

步骤S21：确定所述活塞燃烧室的设计参数，所述设计参数包括：所述第一导向面的顶端到所述活塞燃烧室的中心线的距离D1，所述台阶凸起的第二导向面的底端到所述活塞燃烧室的中心线的距离D2，所述第一导向面与所述第二导向面的连接处到所述活塞燃烧室的中心线的距离d，所述活塞燃烧室的顶部边缘到所述活塞燃烧室的中心线的距离D3，所述活塞燃烧室的顶部到所述活塞燃烧室的底部的距离T；

步骤S22：定义各个所述设计参数的取值，建立所述活塞燃烧室的数学模型，进行仿真；

步骤S23：根据仿真结果判断是否符合要求，若是，则结束，若否，则返回S22。

为了实现上述第三个目的，本发明提供了如下方案：

一种活塞，包括活塞本体、喷油件及如上述中任意一项所述的活塞燃烧室；

所述活塞燃烧室开设在所述活塞本体上，所述喷油件位于所述活塞燃烧室的中心线的顶端，用于向所述活塞燃烧室内喷入喷油束。

在一个具体的实施方案中，所述活塞的焊缝设置在所述活塞本体的顶面及环岸位置处。

为了实现上述第四个目的，本发明提供了如下方案：

一种发动机，包括发动机本体及如上述所述的活塞；

所述活塞安装在所述发动机本体内。

本发明提供的活塞，由于活塞燃烧室的内侧壁上设置有台阶凸起，因此，当喷入燃油（燃油可以是柴油，也可以是天然气）到活塞燃烧室内时，台阶凸起能够扰乱燃油，实现燃油与空气混合均匀。

台阶凸起具有沿着活塞燃烧室的高度方向依次光滑连接的第一导向面及第二导向面，第一导向面将燃油向靠近活塞燃烧室的顶部的方向导向，第二导向面将燃油向靠近活塞燃烧室的底部的方向导向，且活塞燃烧室位于所述喷油束的中心线上方的容积与位于所述喷油束的中心线的下方的容积相等，因此，能够使得燃油快速均匀的充满整个活塞燃烧室。

此外，由于第一导向面的顶端位于喷入活塞燃烧室内的喷油束的顶端的上方，且活塞燃烧室的内侧壁上还设置有阻挡部，阻挡部位于第一导向面的上方，能够阻挡第一导向面上的燃油向活塞燃烧室的顶端边缘流动，即当燃油为天然气时，能够阻挡第一导向面上的天然气向活塞燃烧室的顶端边缘流动，避免了天然气与空气在边缘混合不均的问题。

综上所述，本发明兼顾了喷柴油及天然气的情况，满足了HPDI发动机的使用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出新颖性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的活塞燃烧室的右半部分的主视结构示意图；

图2为本发明提供的活塞燃烧室的右半部分喷注喷油束时的主视结构示意图；

图3为本发明提供的活塞燃烧室的右半部分的各设计参数的示意图；

图4为本发明一种实施例提供活塞燃烧室设计方法的流程图；

图5为本发明另一种实施例提供活塞燃烧室设计方法的流程图；

图6为本发明提供的活塞的主视结构示意图。

其中，图1-图6中：

活塞燃烧室100、台阶凸起101、第一导向面101a、第二导向面101b、喷油束300、阻挡部102、中央凸起结构103、底部弧形凹面104、活塞1000、活塞本体200、活塞顶面201、环岸202、焊缝203。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图1-图6，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶面”、“底面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

结合图1所示，本发明第一方面提供了一种活塞燃烧室100，该活塞燃烧室100为开设在活塞1000顶端的凹坑，具体地，活塞1000为HPDI发动机（高压直喷发动机）的活塞1000。

活塞燃烧室100兼顾了喷柴油及天然气的情况，满足了HPDI发动机的使用需求。

活塞燃烧室100的内侧壁上设置有台阶凸起101，具体地，台阶凸起101具有第一导向面101a及第二导向面101b，且第一导向面101a及第二导向面101b沿着活塞燃烧室100的高度方向光滑连接。

第一导向面101a用于导向燃油向靠近活塞燃烧室100的顶部的方向运动，且第一导向面101a的顶端位于喷入活塞燃烧室100内的喷油束300的顶端的上方，如图2所示，第二导向面101b用于导向燃油向靠近活塞燃烧室100的底部的方向运动，活塞燃烧室100位于喷油束300的中心线a上方的容积与位于喷油束300的中心线a的下方的容积相等，使得燃油能够快速均匀的充满整个活塞燃烧室100。

活塞燃烧室100的内侧壁上还设置有阻挡部102，阻挡部102的底端与第一导向面101a的顶端连接，用于阻挡第一导向面101a上的燃油向活塞燃烧室100的顶端边缘流动，避免了燃油在活塞燃烧室100的顶端边缘混合不均的问题。

当向活塞燃烧室100内喷入柴油时，台阶凸起101的设置使得柴油能够在活塞燃烧室100内与空气混合均匀；当向活塞燃烧室100内喷入天然气时，由于阻挡部102的阻挡作用，能够阻挡第一导向面101a上的天然气向活塞燃烧室100的顶端边缘流动，避免了天然气在活塞燃烧室100的顶端边缘混合不均的问题。由此可见，本发明提供的活塞燃烧室100兼顾了喷柴油及天然气的情况，满足了HPDI发动机的使用需求。

在一些实施例中，阻挡部102为竖直设置的面，这里的竖直是指与活塞燃烧室100的中心线平行或者近似平行的面。

需要说明的是，阻挡部102的底端与第一导向面101a的顶端光滑过渡连接，阻挡部102的顶端与活塞燃烧室100的内侧壁位于阻挡部102的上方的部分光滑过渡连接，避免尖角等的影响。

进一步地，如图3所示，本发明公开了第一导向面101a的顶端到活塞燃烧室100的中心线b的距离D1=0.3D ~0.4D，其中，D为发动机的缸径；第二导向面101b的底端到活塞燃烧室100的中心线b的距离D2=0.275D ~0.325D；第一导向面101a与第二导向面101b的连接处到活塞燃烧室100的中心线b的距离d=0.9D ~1D2；活塞燃烧室100的顶部边缘到活塞燃烧室100的中心线b的距离D3=0.3D ~0.4D；活塞燃烧室100的顶部到活塞燃烧室100的底部的距离T=0.25 D2~0.3D2，本发明的发明人经过试验，得到在上述范围内取值，活塞燃烧室100内的油气混合均匀性更好。

更进一步地，本发明具体公开了第一导向面101a的倾斜角度大于15°，且小于30°。

需要说明的是，第一导向面101a的倾斜角度是指第一导向面101a与活塞燃烧室100的顶面所呈的夹角。

还需要说明的是，上述公开的第一导向面101a的倾斜角度范围仅是本发明的一个具体实施方式，在实际应用中，也可以设置第一导向面101a为其它的角度值。

在一些实施例中，活塞燃烧室100的底部的中心位置处设置有中央凸起结构103，中央凸起结构103的顶部与活塞燃烧室100的顶部相距预设的距离，其中，预设的距离具体根据需要进行设定，并不限于某一或者某些特定值。

中央凸起结构103的表面光滑过渡至活塞燃烧室100的底部弧形凹面104的一端，底部弧形凹面104的另一端与第二导向面101b光滑连接，避免尖角等的产生。

进一步地，本发明公开了底部弧形凹面104与第二导向面101b相外切设置，增大了活塞燃烧室100的体积。

在一些实施例中，活塞燃烧室100的偏心量小于或者等于3mm，避免活塞燃烧室100的偏心量过大导致无法从结构上平衡热应力的问题。

如图4所示，本发明第二方面提供了一种活塞燃烧室100设计方法，用于设计上述任意一项实施例中的活塞燃烧室100。

具体地，活塞燃烧室100设计方法包括：

步骤S1：确定喷油件的喷雾锥角。

具体地，喷油件可以是喷油器，也可以是其它的实现喷油的装置。

喷雾锥角确定后，决定了喷出的喷油束300的方向。

步骤S2：根据喷雾锥角设计活塞燃烧室100。

具体地，在燃烧室的内侧壁设置台阶凸起101及位于台阶凸起101上方的阻挡部102，使得喷油件喷出的喷油束300的顶端不超过台阶凸起101的第一导向面101a的顶端，并使得阻挡部102能够阻挡第一导向面101a上的燃油向燃烧室的顶端边缘流动。

在一些实施例中，如图5所示，步骤S2具体包括：

步骤S21：确定活塞燃烧室100的设计参数。

具体地，设计参数包括：第一导向面101a的顶端到活塞燃烧室100的中心线的距离D1，台阶凸起101的第二导向面101b的底端到活塞燃烧室100的中心线的距离D2，第一导向面101a与第二导向面101b的连接处到活塞燃烧室100的中心线的距离d，活塞燃烧室100的顶部边缘到活塞燃烧室100的中心线的距离D3，活塞燃烧室100的顶部到活塞燃烧室100的底部的距离T。

步骤S22：定义各个设计参数的取值，建立活塞燃烧室100的数学模型，进行仿真。

需要说明的是，设计参数的取值可以是在预先计算出的数值范围内取值，也可以设计一个初始值，在进行仿真后，根据仿真结果调节设计参数增大或者缩小。

还需要说明的是，多个设计参数中，可以每次只设置其中任一个是变量，其它为固定量。也可以设置其中2个是变量，其它为固定量进行调节，具体根据需要进行设定。

步骤S23：根据仿真结果判断是否符合要求，若是，则结束，若否，则返回S22。

需要说明的是，这里的符合要求可以通过设定一个偏差阈值，当仿真结果与实际所需达到的结果的差值处于该偏差阈值内时，则符合要求。

本发明第三方面提供了一种活塞1000，包括活塞本体200、喷油件及如上述中任意一项实施例中的活塞燃烧室100，如图6所示。

活塞燃烧室100开设在活塞本体200上，喷油件位于活塞燃烧室100的中心线的顶端，用于向活塞燃烧室100内喷入喷油束300。

由于本发明提供的活塞1000包括上述中任意一项实施例中的活塞燃烧室100，因此，活塞燃烧室100所具有的有益效果均是本发明公开的活塞1000所包含的。

进一步地，本发明公开了活塞1000的焊缝203设置在活塞本体200的活塞顶面201及环岸202位置处，如图5所示。由于活塞燃烧室100为偏心燃烧室，偏心燃烧室带来了活塞1000内腔、喉口处壁厚不均匀的问题，影响强度及热应力，本发明将活塞1000的焊缝203位置转移到活塞顶面201和环岸202，而该区域壁厚一致，避免了焊接导致的强度及热应力问题。

本发明第四方面提供了一种发动机，包括发动机本体及如上述任意一项实施例中的活塞1000，活塞1000安装在发动机本体内。

具体地，本发明中的发动机为高压直喷发动机。

由于本发明提供的发动机包括上述任意一项实施例中的活塞1000，因此，活塞1000具有的有益效果均是本发明提供的发动机所包含的。

需要说明的是，本文中表示方位的词，例如，上、下、左、右等均是以图1中的方向进行的设定，仅为了表述的方便，并不具有其它特定含义。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种活塞燃烧室，其特征在于，所述活塞燃烧室为开设在活塞顶端的凹坑；

所述活塞燃烧室的内侧壁上设置有台阶凸起；

所述台阶凸起具有沿着所述活塞燃烧室的高度方向依次光滑连接的第一导向面及第二导向面，所述第一导向面用于导向燃油向靠近所述活塞燃烧室的顶部的方向运动，且所述第一导向面的顶端位于喷入所述活塞燃烧室内的喷油束的顶端的上方，所述第二导向面用于导向燃油向靠近所述活塞燃烧室的底部的方向运动，所述活塞燃烧室位于所述喷油束的中心线上方的容积与位于所述喷油束的中心线的下方的容积相等；

所述活塞燃烧室的内侧壁上还设置有用于阻挡所述第一导向面上的燃油向所述活塞燃烧室的顶端边缘流动的阻挡部，所述阻挡部的底端与所述第一导向面的顶端连接。

2.如权利要求1所述的活塞燃烧室，其特征在于，所述阻挡部为竖直设置的面。

3.如权利要求1所述的活塞燃烧室，其特征在于，所述第一导向面的顶端到所述活塞燃烧室的中心线的距离D1=0.3D ~0.4D，其中，D为发动机的缸径；

所述第二导向面的底端到所述活塞燃烧室的中心线的距离D2=0.275D ~0.325D；

所述第一导向面与所述第二导向面的连接处到所述活塞燃烧室的中心线的距离d=0.9D2~1D2；

所述活塞燃烧室的顶部边缘到所述活塞燃烧室的中心线的距离D3=0.3D ~0.4D；

所述活塞燃烧室的顶部到所述活塞燃烧室的底部的距离T=0.25 D2~0.3D2；

所述第一导向面的倾斜角度大于15°，且小于30°。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的活塞燃烧室，其特征在于，所述活塞燃烧室的底部的中心位置处设置有中央凸起结构，所述中央凸起结构的顶部与所述活塞燃烧室的顶部相距预设的距离；

所述中央凸起结构的表面光滑过渡至所述活塞燃烧室的底部弧形凹面的一端，所述底部弧形凹面的另一端与所述第二导向面光滑连接。

5.如权利要求4所述的活塞燃烧室，其特征在于，所述底部弧形凹面与所述第二导向面相外切设置；

和/或

所述活塞燃烧室的偏心量小于或者等于3mm。

6.一种活塞燃烧室设计方法，其特征在于，包括：

步骤S1：确定喷油件的喷雾锥角；

步骤S2：根据所述喷雾锥角设计活塞燃烧室，在所述活塞燃烧室的内侧壁设置台阶凸起及位于所述台阶凸起上方的阻挡部，使得喷油件喷出的喷油束的顶端不超过所述台阶凸起的第一导向面的顶端，并使得阻挡部能够阻挡所述第一导向面上的燃油向所述活塞燃烧室的顶端边缘流动。

7.如权利要求6所述的活塞燃烧室设计方法，其特征在于，步骤S2具体包括：

步骤S21：确定所述活塞燃烧室的设计参数，所述设计参数包括：所述第一导向面的顶端到所述活塞燃烧室的中心线的距离D1，所述台阶凸起的第二导向面的底端到所述活塞燃烧室的中心线的距离D2，所述第一导向面与所述第二导向面的连接处到所述活塞燃烧室的中心线的距离d，所述活塞燃烧室的顶部边缘到所述活塞燃烧室的中心线的距离D3，所述活塞燃烧室的顶部到所述活塞燃烧室的底部的距离T；

步骤S22：定义各个所述设计参数的取值，建立所述活塞燃烧室的数学模型，进行仿真；

步骤S23：根据仿真结果判断是否符合要求，若是，则结束，若否，则返回S22。

8.一种活塞，其特征在于，包括活塞本体、喷油件及如权利要求1-5中任意一项所述的活塞燃烧室；

所述活塞燃烧室开设在所述活塞本体上，所述喷油件位于所述活塞燃烧室的中心线的顶端，用于向所述活塞燃烧室内喷入喷油束。

9.如权利要求8所述的活塞，其特征在于，所述活塞的焊缝设置在所述活塞本体的活塞顶面及环岸的位置处。

10.一种发动机，其特征在于，包括发动机本体及如权利要求8或9所述的活塞；

所述活塞安装在所述发动机本体内。

Images