Поршень с цилиндрической стенкой
Изобретение относится к поршню с цилиндрической стенкой. У поршня имеется головка, образующая углубление поршня. Углубление поршня имеет центральный участок выпуклой сферической формы, днище, имеющее выпуклую форму в виде усеченного конуса, примыкающее к центральному участку, и основание, имеющее вогнутую тороидальную форму, окружающее днище. Углубление поршня также имеет цилиндрическую стенку, выступающую по касательной от основания, которая окружает центральный участок. У поршня имеется верхняя поверхность, перпендикулярная цилиндрической стенке, проходящая вдоль обода углубления поршня. Отношение глубины углубления поршня к длине цилиндрической стенки меньше 4, а отношение диаметра углубления поршня к глубине углубления составляет не более чем 4,7. Изобретение повышает надежность поршня. 9 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и более конкретно к поршням, используемым в двигателях внутреннего сгорания.
Уровень техники
При работе двигатели выбрасывают копоть и другие загрязнители в виде выхлопа. В целом, желательно сохранять низкий уровень выбросов двигателя, вследствие чего работающие двигатели будут более чистыми. На количество выбросов может повлиять любое изменение конструкции двигателя и рабочих параметров, таких как давление в двигателе, форма камеры сгорания, форма распыла при подаче топлива и другие параметры. Корректировка формы камеры сгорания может помочь снизить количество выбросов двигателя во время работы.
Раскрытие изобретения
В данном документе в одном аспекте описан клапан, у которого имеется головка и диаметр головки. У поршня имеется углубление, выполненное в головке и имеющее центральный участок. Центральный участок имеет в целом выпуклую сферическую форму с радиусом, отсчитываемым от центральной оси поршня. У углубления поршня также есть днище, имеющее в целом выпуклую форму в виде усеченного конуса. Днище симметрично относительно центральной оси поршня и примыкает к центральному участку. Углубление поршня также имеет основание в целом вогнутой тороидальной формы, окружающее днище, и цилиндрическую стенку, пролегающую вдоль центральной оси поршня. Цилиндрическая стенка выступает по касательной от основания и окружает, по меньшей мере, часть центрального участка. Цилиндрическая стенка определяет диаметр углубления поршня. У поршня также имеется верхняя поверхность плоской, кольцеобразной формы, которая перпендикулярна цилиндрической стенке и проходит вдоль обода углубления поршня. У углубления поршня имеется глубина, заданная между верхней поверхностью и нижним краевым участком. Нижний краевой участок расположен между основанием и днищем вдоль центральной оси поршня. Отношение глубины углубления поршня к длине цилиндрической стенки меньше 4, а отношение диаметра углубления поршня к глубине составляет не более чем 4,7.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан вид поршня в разрезе в соответствии с настоящим описанием.
На фиг.2 показан вид поршня, показанного на фиг.1, в разрезе, при этом указаны размеры поршня.
Осуществление изобретения
Данное описание относится к поршню 100 с головкой 101, предназначенному для использования в двигателе внутреннего сгорания. В двигателе имеются инжекторы топлива, предназначенные для того, чтобы подавать струи топлива в камеры сгорания, каждая из которых, по меньшей мере, частично образована углублением 102 поршня. Описанный поршень 100 с углублением 102 поршня улучшает окисление копоти, положительно влияет на поле течения в цилиндре и приводит к более высокому вовлечению кислорода во время поздней стадии сгорания путем увеличения энергии смешивания топлива и воздуха в камере сгорания.
Как показано на фиг.1, углубление 102 поршня представляет собой направленное вверх углубление, образованное внутри головки 101 поршня. И головка 101 поршня и углубление 102 поршня имеют круглую форму и симметричны относительно центральной оси 104 поршня. Углубление 102 поршня образовано в головке 101 поршня и обладает несколькими признаками, которые улучшают смешивание топлива и воздуха. Один из таких признаков - центральный участок 106, имеющий, в общем, сферическую форму, и вершина 122, направленная вверх, при ориентации, показанной на чертежах, в сторону верхней части углубления 102 поршня. Сфера, образующая центральный участок 106, имеет радиус R1, берущий начало от центральной оси 104 поршня. Другой признак, формирующий углубление 102 поршня, - это днище 108, имеющее, в общем, выпуклую форму в виде усеченного конуса. Днище 108 примыкает к центральному участку 106 и соединено с центральным участком 106 в целом тангенциальным переходом, образующим непрерывную поверхность. Днище 108 в виде усеченного конуса окружает центр и является симметричным относительно центральной оси 104 поршня. Днище 108 наклонено вниз от центрального участка 106 и в целом тангенциально переходит к основанию 110. Основание 110 в целом имеет вогнутую тороидальную форму и окружает днище 108, искривляясь с постоянным радиусом R2 основания вокруг центральной оси 104 поршня.
Внешний край основания 110 образует другой в целом тангенциальный переход, участок которого задает цилиндрическую стенку 112. Цилиндрическая стенка 112 выступает вверх от основания 110. Цилиндрическая стенка 112 имеет длину L, измеряемую вдоль центральной оси 104 поршня, и окружает, по меньшей мере, часть центрального участка 106. Центральный участок 106, днище 108, основание 110 и цилиндрическая стенка 112 имеют гладкие тангенциальные переходы от одной поверхности к следующей, образуя гладкую поверхность углубления 102 поршня.
Головка 101 поршня также имеет верхнюю поверхность 114, имеющую плоскую, кольцеобразную форму. Верхняя поверхность 114 перпендикулярна цилиндрической стенке 112 и проходит вокруг нее. Цилиндрическая стенка 112 соединяется с верхней поверхностью 114 вдоль обода 115 углубления 102 поршня. У обода 115 имеется скругление 116, радиус которого составляет R3, которое проходит по касательной и к цилиндрической стенке 112, и к верхней поверхности 114. Внешний край верхней поверхности 114 гладко переходит к внешней стенке 118 поршня через внешний обод 124. Внешняя стенка 118 поршня образует цилиндрическую поверхность, соосную с цилиндрической стенкой 112. Диаметр внешней стенки 118 поршня определяет диаметр D1 головки 101 поршня, как показано на фиг.2.
Различные геометрические параметры головки 101 поршня и углубление 102 поршня влияют на производительность камеры сгорания двигателя. Как лучше видно на фиг.2, один из таких параметров - это диаметр D2 углубления поршня 102. Диаметр D2 углубления поршня 102 определяют как диаметр цилиндрической стенки 112. Глубину D углубления 102 поршня задают между верхней поверхностью 114 и нижним краевым участком 120 основания 110 вдоль центральной оси 104 поршня. Нижний краевой участок 120 представляет собой самую нижнюю точку основания 110 и образует окружность вокруг центральной оси 104 поршня. Другие параметры головки 101 поршня - это угол A между плоскостью, параллельной верхней поверхности 114, и днищем 108, зазор E вершины, определяемый между вершиной 122 центрального участка 106 и верхней поверхностью вдоль центральной оси 104 поршня, высота F вершины, определяемая между вершиной центрального участка и нижним краевой участком 120 вдоль центральной оси поршня, и диаметр D3 окружности, образованной нижним краевым участком 120. Сфера, образующая центральный участок 106, имеет радиус R1, а кривая, образующая основание 110, имеет радиус R2.
Нижеприведенные отношения определяют конкретные параметры поршня 100:
а) Отношение D/L меньше, чем 4.
б) Отношение D1/D2 равно по меньшей мере 1,39.
в) Отношение D2/D равно не более чем 4,7.
г) Отношение D1/D3 равно, по меньшей мере, приблизительно 2,0.
д) Отношение D2/D3 равно, по меньшей мере, приблизительно 1,4.
е) Отношение D1/R1 приблизительно равно 17.
ж) Отношение D2/R1 приблизительно равно 12,2.
з) Отношение D1/R2 приблизительно равно 9,3.
и) Отношение D2/R2 приблизительно равно 6,7.
к) Отношение D1/R3 приблизительно равно 130,8.
л) Отношение D2/R3 приблизительно равно 93,8.
м) Отношение D1/E составляет не более чем приблизительно 85.
н) Отношение D2/E составляет не более чем приблизительно 61.
о) Отношение D1/L приблизительно равно 21,0.
п) Отношение D2/L приблизительно равно 15,1.
Размеры поршня 100, удовлетворяющие этим соотношениям, обеспечивают конкретные преимущества. В частности, диаметр D2 углубления 102 поршня сильно влияет на объем углубления и, таким образом, накладывает ограничения на другие размеры для заданного целевого коэффициента сжатия. Меньший диаметр позволяет углублению 102 поршня иметь большую глубину D при том же значении целевого коэффициента сжатия. Описанное соотношение D1/D2 между диаметром D1 головки 101 поршня и диаметром D2 углубления 102 поршня обеспечивает улучшенные частные соотношения. Описанный радиус R3 скругления 116 и соотношения с ним усиливают смешивание воздуха/топлива и изменяют поле течения в камере сгорания, что приводит к улучшенному окислению копоти. Описанная длина L цилиндрической стенки 112 и соотношения с ней также положительно влияют на поле течения в камере сгорания двигателя и приводят к более сильному вовлечению кислорода во время поздней стадии сгорания путем увеличения энергии смешивания. Описанный зазор E вершины между вершиной 122 центрального участка 106 и верхней поверхностью 114 и соотношения с ним допускают более высокий центральный участок, чем в существующих конструкциях, что позволяет получить большую глубину D углубления 102 и более крутой угол A. Кроме того, отношение D2/D диаметра D2 углубления 102 поршня к глубине D углубления поршня допускает более глубокое углубление поршня при неизменном коэффициенте сжатия. Эти признаки поршня 100 позволяют получить более чистый двигатель сгорания, так как в атмосферу попадает меньше частиц, снижая загрязняющие выбросы. Например, приведенный ниже радиус R3 скругления 116, равный 1,3 мм, оптимизирует выделение твердых частиц примерно на 15%.
В таблице ниже приведены конкретные значения параметров, определенных выше, для одного варианта осуществления изобретения. В соответствии с настоящим описанием для этих параметров могут использоваться другие значения.
| D1 | 170 мм |
| D2 | 122 мм |
| D3 | 85,4 мм |
| R1 | 10 мм |
| R2 | 18,3 мм |
| R3 | 1,3 мм |
| A | 36° |
| D | 26,35 мм |
| E | 2 мм |
| F | 24,3 мм |
| L | 8,1 мм |
Промышленное применение поршня с цилиндрической стенкой, описанного в этом документе, должно быть понятно из вышеизложенного обсуждения. Настоящее изобретение применимо в любой машине, приводимой в действие двигателем сгорания. В частности, в машинах, приводимых в действие дизельными двигателями с большим объемом цилиндра. Существует постоянная потребность в строительстве таких двигателей, которые сжигают топливо более чисто и эффективно, но при этом обладают производительностью, необходимой для работы отдельной машины.
Поэтому настоящее изобретение применимо во многих различных машинах и оборудовании. Одно из типовых применений поршня, описанного в этом документе, заключается в использовании в машинах, попадающих под действие отдельных норм выбросов. Агентство по охране окружающей среды США представило еще более строгие нормы выбросов для дизельных двигателей. Поршень в соответствии с данным описанием, по меньшей мере, подходит для того, чтобы большие дизельные двигатели удовлетворяли нормам Tier 4i выбросов.
Понятно, что предшествующее описание показывает примеры описанной системы и технологии. Тем не менее, предполагается, что другие реализации изобретения в деталях могут отличаться от вышеизложенных примеров. Предполагается, что все ссылки на описание или примеры относятся к отдельному обсуждавшемуся до этого примеру, и при этом не подразумевают, в общем, какого-либо ограничения в отношении объема изобретения. Предполагается, что все сказанное об особенностях и пренебрежение касательно отдельных признаков показывает недостаточное преимущество таких признаков, но не исключает их полностью из объема изобретения, если это специально не указано.
Перечисление диапазонов значений в этом документе служит только в качестве способа обозначения для ссылки индивидуально на каждое отдельное значение, попадающее в диапазон, если только обратное специально не указано, а каждое отдельное значение включено в это описание, как если бы оно было индивидуально перечислено в этом документе. Все способы, описанные в этом документе, могут быть выполнены в любом подходящем порядке, если не указано обратное, или другим образом ясно не следует из контекста.
Соответственно это описание включает в себя все модификации и эквиваленты объекта, перечисленного в прилагаемой формуле изобретения, в соответствии с действующим законодательством. Более того, описание охватывает любое сочетание вышеописанных элементов во всех возможных их вариантах, если обратное не указано в этом документе или другим образом ясно не следует из контекста.
1. Поршень (100), у которого имеется головка (101) и диаметр (D1) головки, содержащий:
углубление (102) поршня, выполненное в головке, содержащее:
центральный участок (106), имеющий в целом выпуклую сферическую форму, радиус которой берет начало от центральной оси (104) поршня;
днище (108), имеющее в целом выпуклую форму в виде усеченного конуса, расположенное симметрично вокруг центральной оси поршня и примыкающее к центральному участку;
основание (110), имеющее в целом вогнутую тороидальную форму, окружающее днище; и
цилиндрическую стенку (112), имеющую длину (L) вдоль центральной оси поршня, цилиндрическую стенку, выступающую по касательной от основания и окружающую, по меньшей мере, часть центрального участка и задающую диаметр (D2) углубления поршня;
верхнюю поверхность (114), имеющую плоскую, кольцеобразную форму, которая расположена перпендикулярно вокруг цилиндрической стенки вдоль обода (115) углубления поршня;
при этом углубление поршня имеет глубину (D), определяемую между верхней поверхностью и нижним краевым участком (120), расположенным между основанием и днищем вдоль центральной оси поршня;
причем отношение глубины углубления поршня к длине цилиндрической стенки меньше 4;
причем отношение диаметра углубления поршня к глубине не более 4,7.
2. Поршень по п.1, в котором отношение диаметра головки к диаметру углубления поршня по меньшей мере равно 1,39.
3. Поршень по п.1, дополнительно содержащий скругление (116), расположенное тангенциально и к цилиндрической стенке, и к верхней поверхности, причем скругление имеет радиус (R3), и при этом отношение диаметра головки к радиусу скругления приблизительно равно 130,8.
4. Поршень по п.1, дополнительно содержащий скругление (116), расположенное тангенциально и к цилиндрической стенке и к верхней поверхности, причем скругление имеет радиус (R3), и при этом отношение диаметра углубления поршня к радиусу скругления приблизительно равно 93,8.
5. Поршень по п.1, в котором отношение диаметра головки к радиусу центрального участка приблизительно равно 17.
6. Поршень по п.1, в котором отношение диаметра углубления поршня к радиусу центрального участка приблизительно равно 12,2.
7. Поршень по п.1, в котором у центрального участка имеется вершина (122) и зазор (E) вершины, определяемый между вершиной и верхней поверхностью вдоль центральной оси поршня, и при этом отношение диаметра головки к зазору вершины приблизительно равно 85.
8. Поршень по п.1, в котором у центрального участка имеется вершина (122) и зазор (E) вершины, определяемый между вершиной и верхней поверхностью вдоль центральной оси поршня, и при этом отношение диаметра углубления поршня к зазору вершины приблизительно равно 61.
9. Поршень по п.1, в котором отношение диаметра головки к длине цилиндрической стенки приблизительно равно 21,0.
10. Поршень по п.1, в котором отношение диаметра углубления поршня к длине цилиндрической стенки приблизительно равно 15,1.
