一种点燃压燃汽油机活塞及发动机的制作方法

1.本发明属于发动机技术领域，更具体地，涉及一种点燃压燃汽油机活塞及发动机。


背景技术：

2.发动机点燃压燃模式中，为满足点燃压燃的需要，活塞顶部中心设置有凹坑，凹坑周围依次围绕设置有第一进气避让坑和第二进气避让坑、第一排气避让坑和第二排气避让坑。在实际使用过程中，易出现压燃燃烧比例降低，发动机热效率与排放水平不理想的技术问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供一种点燃压燃汽油机活塞及发动机，以解决如何提高压燃燃烧比例的技术问题。
4.本发明的技术方案是这样实现的：
5.本发明实施例提供一种点燃压燃汽油机活塞，包括：
6.活塞本体，所述活塞本体的顶面设有凹坑、第一进气门避让坑、第二进气门避让坑、第一排气门避让坑和第二排气门避让坑；其中，所述凹坑的中心相对所述活塞本体的中心沿第一方向朝后偏移设置，所述第一方向为发动机的前后方向，所述第一进气门避让坑、第二进气门避让坑、第一排气门避让坑和第二排气门避让坑沿所述凹坑周向依次设置；所述凹坑的长轴位于所述第一方向且垂直于进排气方向，所述凹坑的短轴在进排气方向。
7.一些实施例中，所述凹坑的截面沿所述第一方向从前往后的长度增大。
8.一些实施例中，所述凹坑在所述进排气方向对称设置。
9.一些实施例中，所述凹坑的长轴为所述活塞本体直径的30％-40％，所述凹坑的短轴小于等于所述活塞本体直径的28％。
10.一些实施例中，所述凹坑的深度≥5mm。
11.一些实施例中，所述凹坑包括底面和围绕所述底面设置的侧面，所述底面的中心相对所述活塞本体的中心沿所述第一方向朝后偏移设置，所述侧面与所述第一进气门避让坑、第二进气门避让坑、第一排气门避让坑和第二排气门避让坑衔接。
12.一些实施例中，所述第一排气门避让坑与所述第二排气门避让坑之间设置有第一顶面，所述第一进气门避让坑与所述第二进气门避让坑之间设置有第二顶面，所述第一进气门避让坑与所述第一排气门避让坑之间设置第三顶面，所述第二进气门避让坑所述第二排气门避让肯之间设置有第四顶面，其中，所述第一顶面、所述第二顶面、所述第三顶面和所述第四顶面等高。
13.一些实施例中，所述第一进气门避让坑、所述第一排气门避让坑均与所述第一顶面平滑连接。
14.本发明实施例提供了一种发动机，包括：
15.所述点燃压燃汽油机活塞。
16.一些实施例中，还包括：
17.火花塞，朝所述活塞本体的顶面的中心相对设置；
18.喷油器，所述喷油器的延伸方向的轴线与所述凹坑的长轴相交，且所述喷油器相对所述火花塞在所述第一方向的后端设置。
19.本发明实施例提供了一种点燃压燃汽油机活塞及发动机，该点燃压燃汽油机活塞包括活塞本体，该活塞本体的顶面设有凹坑，以及围绕所述凹坑设置的第一进气门避让坑、第二进气门避让坑、第一排气门避让坑及第二排气门避让坑，凹坑的中心相对活塞本体的中心沿第一方向朝后偏移设置，该第一方向为发动机的前后方向，本发明实施例通过将凹坑的中心相对活塞本体的中心偏心设置，改变了混合气体涡流的流场分布，且也降低油束朝凹坑外喷油的风险，既能够降低对混合气体浓度分布的影响，又有利于集中混合气体的浓度，提高点火效率，提高压燃比例，实现对燃烧过程的优化，提升热效率。
附图说明
20.图1为本发明实施例的活塞本体的俯视图；
21.图2为本发明实施例的发动机的结构示意图；
22.图3为本发明实施例的燃烧系统中的压缩上止点前20
°
ca时的燃烧室内混合气体的分布情况。
23.附图标记说明：
24.1、活塞本体；2、顶面；21、第一顶面；22、第二顶面；23、第三顶面；24、第四顶面；3、凹坑；31、底面；32、侧面；4、第一进气门避让坑；5、第二进气门避让坑；6、第一排气门避让坑；7、第二排气门避让坑；8、火花塞；9、喷油器。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。在具体实施例中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征的组合可以形成不同的实施例和技术方案。为了避免不必要的重复，本发明中各个具体技术特征的各种可能的组合方式不再另行说明。
26.在以下的描述中，所涉及的术语“第一\第二\...”仅仅是区别不同的对象，不表示各对象之间具有相同或联系之处。应该理解的是，所涉及的方位描述“上方”、“下方”、“外”、“内”均为正常使用状态时的方位，“左”、“右”方向表示在具体对应的示意图中所示意的左右方向，可以为正常使用状态的左右方向也可以不是。
27.需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。“多个”表示大于或等于两个。
28.本发明实施例提供的点燃压燃汽油机活塞可应用于任何车辆类型的发动机，示例
性的，该发动机可以应用于轿车，示例性的，该发动机也可以适用于货车，需要说明的是，本发明实施例中的点燃压燃汽油机活塞所应用的环境不会对该点燃压燃汽油机活塞的结构产生限定。
29.混合动力车辆或纯燃油能源车辆的发动机至少有一个是内燃机，内燃机是一种通过使燃料进入气缸并使缸内的燃油和空气的混合气在缸内剧烈燃烧，从而将燃油的内能转化为推动活塞动能的装置。部分类型的发动机设置有火花塞，通过火花塞提供点火能量，以使火花塞能够根据燃烧模式的要求点燃进入缸内的至少部分的油气混合物。
30.本发明实施例提供了一种点燃压燃汽油机活塞，如图1所示，点燃压燃汽油机活塞包括活塞本体1，活塞本体1的顶面2设有凹坑3、第一进气门避让坑4、第二进气门避让坑5、第一排气门避让坑6和第二排气门避让坑7；其中，凹坑3的中心a相对活塞本体1的中心b沿第一方向朝后偏移设置，需要说明的是，活塞本体1的截面大致呈圆形设置，活塞本体1的中心b位于活塞本体1截面的圆心。本发明实施例中的凹坑3的横截面设置为不规则的形状，该凹坑3的中心可以理解为凹坑3横截面的几何中心，本发明实施例中的凹坑3的中心a与活塞本体1的中心b不重合，且凹坑3的中心a相对活塞本体1的中心b朝后偏移，其中，本发明实施例将第一方向定义为发动机的前后方向(图1中箭头所示方向为发动机的前方，与箭头所示方向相反的方向为发动机的后方，箭头线所在的方向为第一方向)，凹坑3的中心a和活塞本体1的中心b均位于第一方向上，活塞本体1的中心b在第一方向朝前的方向为发动机的前方，活塞本体1的中心b在第一方向朝后的方向为发动机的后方，凹坑3的中心a相对于活塞本体1的中心b在第一方向朝后偏移设置。且活塞本体1的中心b可位于凹坑3内。
31.如图1所示，本发明实施例中的第一进气门避让坑4、第二进气门避让坑5、第一排气门避让坑6和第二排气门避让坑7沿凹坑3周向依次设置；其中，本发明实施例通过将第一进气门避让坑4、第二进气门避让坑5、第一排气门避让坑6和第二排气门避让坑7沿凹坑3周向设置，在发动机的进气冲程和压缩冲程中，减小在第一次喷油时进入活塞本体1内的燃油和进入的空气在凹坑3的底面的空气阻力，使燃油和空气的混合更加均匀，同时，在发动机的燃烧过程中，第一进气门避让坑4和第二进气门避让坑5能够减小火焰在凹坑内的流动阻力，从而使火焰更加顺畅地蔓延至整个燃烧室，即，使燃烧室内环绕火核的稀薄油气混合物的燃烧同步性更高，进一步提高了点燃压燃的发动机的燃烧效率。第一排气门避让坑6和第二排气门避让坑7，在燃烧后使活塞本体的排气侧的远离凹坑的部分能够容纳更多的燃烧废气，该区域设与排气管连接，燃烧后产生的燃烧废气能够更加容易地被排出气缸外，进一步提高发动机的燃烧效率。
32.如图1所示，本发明实施例中的凹坑3的长轴位于第一方向且垂直于进排气方向，凹坑3的短轴在进排气方向。需要说明的是，凹坑3的长轴表示的是凹坑3的截面上通过连接截面上的两个点所获得的最长线段。凹坑3的短轴表示的是凹坑3的截面上通过连接截面上的两个点所获得的的最短线段。本发明实施例中的凹坑3的长轴在发动机的前后方向上，凹坑3的短轴在垂直发动机前后方向的方向上。
33.在发动机的燃烧模式为点燃压燃模式的情况下，点燃压燃的发动机的喷油器需要进行两次喷油，第一次喷油发生在进气冲程内，用于在发动机的气缸内形成稀薄的油气混合物，即，喷油器在进气冲程内向气缸内喷射少量的燃油，并通过进气管流入气缸的空气与少量的燃烧混合从而在气缸内形成燃油浓度较低的油气混合物；第二次喷油发生在压缩冲
程内，用于在活塞运动至预设高度的时刻向活塞顶面的中心凹坑内喷射燃油，从而在活塞顶面的中心凹坑内形成局部加浓的油气混合物，在活塞继续运动至上止点附近处发动机的点火装置点火从而点燃中心凹坑内的局部加浓的油气混合物从而形成火核，通过该火核加热火核周边的稀薄油气混合物并同时通过活塞继续压缩该稀薄油气混合物，从而使周边的稀薄油气混合物在火核的加热和活塞的压缩的共同作用下被压燃。
34.本发明实施例中的混合气体在进入活塞本体1的顶面2之前，具有初始动力，到了活塞本体1的顶面2后，形成循环的混合气体涡流。本发明实施例通过对活塞本体1顶部结构的改进，将凹坑3的中心相对活塞本体1的中心偏移设置，且将凹坑3的中心沿长轴的方向朝发动机的后端偏移，可以对流场进行扰动，改变混合气体涡流的流场分布，从而对燃烧系统中点燃过程与压燃过程的优化，并且，偏心设置的凹坑有利于降低油束朝凹坑外喷油的风险，从而降低了对混合气体浓度分布的影响，进而有利于提高压燃比例，实现对燃烧过程的优化，提升热效率。
35.本发明实施例提供了一种点燃压燃汽油机活塞，该点燃压燃汽油机活塞包括活塞本体，该活塞本体的顶面设有凹坑，以及围绕所述凹坑设置的第一进气门避让坑、第二进气门避让坑、第一排气门避让坑及第二排气门避让坑，凹坑的中心相对活塞本体的中心沿第一方向朝后偏移设置，该第一方向为发动机的前后方向，本发明实施例通过将凹坑的中心相对活塞本体的中心偏心设置，改变了混合气体涡流的流场分布，且也降低油束朝凹坑外喷油的风险，既能够降低对混合气体浓度分布的影响，又有利于集中混合气体的浓度，提高点火效率，提高压燃比例，实现对燃烧过程的优化，提升热效率。
36.在一些实施例中，如图1所示，凹坑3的截面沿第一方向从前往后的长度增大。需要说明的是，凹坑3的截面与活塞本体1的运动方向垂直，其中，凹坑3截面的长度可以理解为围成凹坑3的侧面所形成的边缘上的两个点之间的距离，沿第一方向从前往后的方向上，凹坑3的长度由小变大。本发明实施例通过将凹坑截面沿第一方向从前往后的长度呈增大的趋势设置，有利于改变混合气体涡流的流场分布，既能够降低油束朝凹坑外喷油的风险，又有利于将混合气体的浓度集中在所形成的涡流流场内，从而提高压燃比例，进而提高热效率。
37.在一些实施例中，如图1所示，凹坑3在进排气方向对称设置，本发明实施例中的进排气方向与第一方向垂直，本发明实施例通过将凹坑3在进排气方向对称设置，有利于将混合气体涡流的流场分布集中在凹坑3的长轴上，从而有利于集中混合气体的浓度，以进一步提高压燃比例。
38.在一些实施例中，如图1所示，本发明实施例中的凹坑3的长轴l1为活塞本体1直径l3的30％-40％，凹坑3的短轴l2小于等于活塞本体1直径l3的28％。其中，活塞本体1的截面大致为圆形，对应的活塞本体1的直径l3可理解为截面的直径。凹坑3的长轴l1为凹坑3在第一方向上最远两个点之间的距离，凹坑3的短轴l2为凹坑3在进排气方向上最远两个点之间的距离。本发明实施例通过将凹坑3的长轴限定在活塞本体1之间的30％-40％，并将凹坑3的短轴小于等于活塞本体1直径的28％，也就是说，将凹坑3的截面积小于等于设定值，或是，将凹坑3截面积与活塞本体1的截面积的比值限定在一定范围内，有利于集中混合气体浓度，将涡流更好地集中在凹坑的中心，从而有利于提高点火效率。
39.在一些实施例中，结合图1和图2所示，凹坑3的深度≥5mm。其中，凹坑3的深度表示
的是凹坑3的顶部到底部的距离，本发明实施例通过将凹坑3的深度大于等于设定值，使得凹坑3具有足够的空间来容纳混合气体，从而有利于在涡流流场内形成较高浓度的混合气体，从而更有利于提高点火效率。一些实施例中，凹坑3的深度可设置为5.5mm、6mm、6.3mm等。本发明实施例通过将凹坑3的深度设置在设定值有利于在凹坑内形成集中的涡流流程，从而有利于提高点火效率。
40.在一些实施例中，如图1和图2所示，凹坑3包括底面31和围绕底面31设置的侧面32，底面31的中心相对活塞本体1的中心沿第一方向朝后偏移设置，其中，底面31的中心与凹坑3的中心的连线与凹坑3的截面垂直。也就是说，底面31的中心可朝竖直方向投影至凹坑3的中心上。如图1和图2所示，凹坑3的侧面32围绕底面31设置以共同形成内部的空腔，侧面32与第一进气门避让坑4、第二进气门避让坑5、第一排气门避让坑6和第二排气门避让坑7衔接。本发明实施例通过将侧面32与周侧的四个坑衔接，使得周侧的第一进气门避让坑4和第二进气门避让坑5能够将混合气体平滑地导入至凹坑内，且第一排气门避让坑6和第二排气门避让坑7更加容易地将废气被排出气缸外，进一步提高发动机的燃烧效率。
41.在一些实施例中，如图1所示，第一排气门避让坑6与第二排气门避让坑7之间设置有第一顶面21，第一进气门避让坑4与第二进气门避让坑5之间设置有第二顶面22，第一进气门避让坑4与第一排气门避让坑6之间设置第三顶面23，第二进气门避让坑5第二排气门避让坑7之间设置有第四顶面24，其中，第一顶面21、第二顶面22、第三顶面23和第四顶面24等高。其中，等高表示的是第一顶面21、第二顶面22、第三顶面23及第四顶面24至凹坑3的底面31的距离相等，本发明实施例将四个顶面等高设置，且将凹坑3与第一顶面21、第二顶面22、第三顶面23和第四顶面24之间均通过圆弧过渡，有利于减小油气混合物的流动阻力以及减小火焰传播的阻力，本实施例提供的点燃压燃的发动机的活塞顶面的凹坑3将第二次喷射的燃油集中在凹坑3的中心a内，从而在凹坑3内形成局部加浓的油气混合物，凹坑3的深度较深，有利于集中混合气体的浓度，提高点火效率。
42.在一些实施例中，如图1和图2所示，第一进气门避让坑4、第一排气门避让坑6均与第一顶面21平滑连接。需要说明的是，本发明实施例通过将第一进气门避让坑4的坑面朝第一排气门避让坑6的方向倾斜填平，将第一排气门避让坑6的坑面朝第一进气门避让坑4的方向倾斜填平，在满足减小气体导流阻力的同时，还能够尽可能地缩小第一顶面21的表面面积，从而减小了燃烧室容积，增大了压缩比，可以提高汽油机燃烧效率。
43.本发明实施例提供了一种发动机，如图2所示，该发动机包括点燃压燃汽油机活塞。本发明实施例通过将点燃压燃汽油机活塞的活塞本体顶面设有凹坑，以及围绕所述凹坑设置的第一进气门避让坑、第二进气门避让坑、第一排气门避让坑及第二排气门避让坑，凹坑的中心相对活塞本体的中心沿第一方向朝后偏移设置，该第一方向为发动机的前后方向，本发明实施例通过将凹坑的中心相对活塞本体的中心偏心设置，改变了混合气体涡流的流场分布，且也降低油束朝凹坑外喷油的风险，既能够降低对混合气体浓度分布的影响，又有利于集中混合气体的浓度，提高点火效率，提高压燃比例，实现对燃烧过程的优化，提升热效率。
44.在一些实施例中，如图2所示，本发明实施例中的发动机还包括火花塞8和喷油器9。火花塞8朝活塞本体1的顶面2的中心相对设置；喷油器9的延伸方向的轴线与凹坑3的长轴相交，且喷油器9相对火花塞8在第一方向的后端设置。本发明实施例通过将喷油器9相对
活塞本体1的顶面偏心设置，使得喷油器9能够直接将燃油喷入凹坑3内，降低油束朝凹坑外喷油的风险，以进一步降低对混合气体浓度分布的影响。火花塞8用于输出电火花的一端与凹坑3相邻，该火花塞8与活塞本体1的中心相对，且也朝向凹坑，既能够向凹坑内输出电火花从而点燃凹坑内的至少部分的燃油和空气的混合物，又能够给喷油器9留有一定空间，降低油束朝凹坑外喷油的风险，能够集中混合气体浓度，在提高点火效率的同时，提高压燃比例，实现对燃烧过程的优化，提升热效率。
45.图3所示为本发明实施例中的点燃压燃汽油机活塞的燃烧仿真图。本发明实施例基于活塞本体几何特征参数创建了目标点燃压燃发动机对应的一维性能仿真模型，该活塞本体的几何特征参数包括：活塞本体形状参数；基于目标点燃压燃发动机的基本特征参数确定初始燃烧参数值；所述燃烧参数包括湍流火焰模型对应的点火时刻；将所述初始燃烧参数值施加至所述仿真模型中，获得初始发动机性能参数；根据所述初始发动机性能参数及预设的缸压阈值对所述燃烧参数进行修正，获得目标燃烧参数值；将所述目标燃烧参数值施加至所述一维性能仿真模型中，获得所述点燃压燃发动机的性能预测数据。
46.具体的，图3是本发明实施例提供的燃烧系统中的压缩上止点前20
°
ca时的燃烧室内混合气体的分布情况，活塞本体的表面在火花塞8附近可以形成更加浓的混合气，因此，本发明实施例的活塞本体的结构可以提高点火效率与火焰传播效率，从而有利于燃烧效率及汽油机热效率。
47.以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种点燃压燃汽油机活塞，其特征在于，包括：活塞本体，所述活塞本体的顶面设有凹坑、第一进气门避让坑、第二进气门避让坑、第一排气门避让坑和第二排气门避让坑；其中，所述凹坑的中心相对所述活塞本体的中心沿第一方向朝后偏移设置，所述第一方向为发动机的前后方向，所述第一进气门避让坑、第二进气门避让坑、第一排气门避让坑和第二排气门避让坑沿所述凹坑周向依次设置；所述凹坑的长轴位于所述第一方向且垂直于进排气方向，所述凹坑的短轴在进排气方向。2.根据权利要求1所述的点燃压燃汽油机活塞，其特征在于，所述凹坑的截面沿所述第一方向从前往后的长度增大。3.根据权利要求2所述的点燃压燃汽油机活塞，其特征在于，所述凹坑在所述进排气方向对称设置。4.根据权利要求3所述的点燃压燃汽油机活塞，其特征在于，所述凹坑的长轴为所述活塞本体直径的30％-40％，所述凹坑的短轴小于等于所述活塞本体直径的28％。5.根据权利要求4所述的点燃压燃汽油机活塞，其特征在于，所述凹坑的深度≥5mm。6.根据权利要求1所述的点燃压燃汽油机活塞，其特征在于，所述凹坑包括底面和围绕所述底面设置的侧面，所述底面的中心相对所述活塞本体的中心沿所述第一方向朝后偏移设置，所述侧面与所述第一进气门避让坑、第二进气门避让坑、第一排气门避让坑和第二排气门避让坑衔接。7.根据权利要求1所述的点燃压燃汽油机活塞，其特征在于，所述第一排气门避让坑与所述第二排气门避让坑之间设置有第一顶面，所述第一进气门避让坑与所述第二进气门避让坑之间设置有第二顶面，所述第一进气门避让坑与所述第一排气门避让坑之间设置第三顶面，所述第二进气门避让坑所述第二排气门避让肯之间设置有第四顶面，其中，所述第一顶面、所述第二顶面、所述第三顶面和所述第四顶面等高。8.根据权利要求7所述的点燃压燃汽油机活塞，其特征在于，所述第一进气门避让坑、所述第一排气门避让坑均与所述第一顶面平滑连接。9.一种发动机，其特征在于，包括：根据权利要求1-8任一项所述的点燃压燃汽油机活塞。10.根据权利要求9所述的发动机，其特征在于，还包括：火花塞，朝所述活塞本体的顶面的中心相对设置；喷油器，所述喷油器的延伸方向的轴线与所述凹坑的长轴相交，且所述喷油器相对所述火花塞在所述第一方向的后端设置。

技术总结
本发明提供一种点燃压燃汽油机活塞及发动机，该点燃压燃汽油机活塞包括：活塞本体，所述活塞本体的顶面设有凹坑、第一进气门避让坑、第二进气门避让坑、第一排气门避让坑和第二排气门避让坑；其中，所述凹坑的中心相对所述活塞本体的中心沿第一方向朝后偏移设置，所述第一方向为发动机的前后方向，所述第一进气门避让坑、第二进气门避让坑、第一排气门避让坑和第二排气门避让坑沿所述凹坑周向依次设置；所述凹坑的长轴位于所述第一方向且垂直于进排气方向，所述凹坑的短轴在进排气方向。所述凹坑的短轴在进排气方向。所述凹坑的短轴在进排气方向。


技术研发人员：姚聪 蔡文新 王文建
受保护的技术使用者：东风汽车集团股份有限公司
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/10/7