燃烧系统及对应的发动机.pdf

本发明公开了燃烧系统及对应的发动机。在一个实例中，所述燃烧系统包括：活塞顶碗，所述活塞顶碗具有中心顶点；燃烧室，所述燃烧室可操作在约13:1到约17:1范围内的压缩比下，所述燃烧室至少部分由所述活塞顶碗构成；以及燃料喷射器，所述燃料喷射器具有延伸到所述燃烧室的中央部分中的喷嘴，所述喷嘴可操作地将燃料直接喷射到所述燃烧室中，所述喷嘴限定在6个到10个范围内的多个小孔，且在约10,000kPa的压力下具有从约90cm3/s到约95cm3/s的喷射器喷嘴流速。

1.  一种燃烧系统，其特征在于，所述燃烧系统包括：
活塞顶碗(236)，所述活塞顶碗(236)具有中心顶点(310)；
燃烧室(240)，所述燃烧室(240)可操作在从约13:1到约17:1范围 内的压缩比下，所述燃烧室(240)至少部分由所述活塞顶碗(236)构 成；以及
燃料喷射器(230)，所述燃料喷射器(230)具有喷嘴(402)，所述喷 嘴(402)延伸到所述燃烧室(240)的中央部分中，其可操作地将燃料直 接喷射到所述燃烧室(240)内，所述喷嘴(402)限定在六个到十个范围 内的多个小孔(426)，并且在约10,000kPa的压力下具有从约90cm³/s 到约95cm³/s的喷射器喷嘴流速。

2.  根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述活塞顶碗 (236)形成于活塞(206)的活塞顶(232)中，所述活塞顶(232)沿所述活 塞(206)所在的气缸(202)的中心轴(228)居中，其中所述燃料喷射器 (230)和所述活塞顶碗(236)沿所述中心轴(228)居中，并且其中所述 活塞顶碗(236)围绕所述中心轴(228)对称。

3.  根据权利要求2所述的燃烧系统，其特征在于，所述燃料喷射 器(230)相对于所述中心轴(228)轴向对齐并且设置在所述气缸(202) 的汽缸盖(204)中，并且其中所述小孔(426)围绕所述中心轴(228)对 称设置并且沿所述燃料喷射器(230)的所述喷嘴(402)的外周设置。

4.  根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述小孔(426) 的几何结构和数量在约10,000kPa压力下提供从约92cm³/s到约94 cm³/s范围内的所述喷射器喷嘴流速。

5.  根据权利要求4所述的燃烧系统，其特征在于，所述喷嘴(402) 仅限定八个小孔(426)。

6.  根据权利要求4所述的燃烧系统，其特征在于，所述燃料喷射 器(230)被配置成在以相对于穿过所述燃料喷射器(230)的中心轴 (404)的相对小孔约135度到约140度的喷射角(436)使用时，将燃料 喷射到所述燃烧室(240)中，所述喷射角(436)至少部分基于所述小孔 (426)的位置和几何结构。

7.  根据权利要求4所述的燃烧系统，其特征在于，每个小孔(426) 具有入口直径和出口直径，其中所述入口直径与所述出口直径之间的 标度差为5，并且其中每个小孔(426)包括液压腐蚀磨圆的圆边，以相 比于磨圆之前的流量将所述流量增加约25％到约30％。

8.  根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述燃料喷射 器(230)包括密封件，所述密封件被配置成不泄漏以220,000kPa或 以下压力通过共轨燃料输送系统供应的燃料。

9.  根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述小孔(426) 中的至少两个小孔(426)具有彼此不同的截面轮廓。

10.  根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，所述小孔(426) 中的至少一个小孔(426)具有非圆形截面轮廓，并且其中具有所述非 圆形截面轮廓的所述小孔(426)中的所述至少一个小孔(426)的截面 轮廓为狭缝、新月形、椭圆形、星形、三角形或正方形中的一个。

11.  根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，其进一步包括：
气缸(202)，所述气缸(202)具有中心轴(228)；
活塞顶(232)，所述活塞顶(232)包括活塞顶碗(236)，其中所述活 塞顶碗(236)的中心顶点(310)居中在所述中心轴(228)上，所述活塞 顶碗(236)形成燃烧室(240)，所述燃烧室(240)具有提供15:1的压缩 比的体积；
其中所述燃料喷射器(230)包括八个小孔(426)并且沿所述中心轴 (228)轴向设置在所述气缸(202)的汽缸盖(204)中。

12.  根据权利要求11所述的燃烧系统，其特征在于，所述活塞顶 碗(236)围绕所述中心轴(228)对称，其中所述中心顶点(310)的高度 低于所述活塞顶(232)的顶面(306)的高度，其中所述活塞顶碗(236) 包括弧形底部(312)，所述弧形底部(312)凹陷到所述中心顶点(310) 的所述高度下方并且围绕所述中心顶点(310)对称设置，并且其中所 述中心顶点(310)呈凸面球形，其具有从3mm到5mm范围内的顶点 半径，所述弧形底部(312)具有凹面形状，其具有从16mm到20mm 范围内的底部半径。

13.  根据权利要求11所述的燃烧系统，其特征在于，所述小孔(426) 围绕所述中心轴(228)对称设置并且沿圆顶形喷嘴(402)的外周设置， 并且其中每个所述小孔(426)的K因数为5、液压腐蚀磨圆在从28％到 29％的范围内，所述K因数定义为每个所述小孔(426)的入口直径与出 口直径之间的差再除以10微米的换算系数，其中所述燃料喷射器(230) 在约10,000kPa的压力下具有从90cm³/s到92cm³/s的喷嘴流速，所 述喷嘴流速基于所述八个小孔(426)以及所述小孔(426)的所述K因数 和所述液压腐蚀磨圆。

14.  根据权利要求1所述的燃烧系统，其特征在于，其进一步包括 排气通道(116)和控制器(180)，所述排气通道(116)不具有后处理系 统且不包括排气催化剂或微粒过滤器，所述控制器(180)包括微处理 器，所述微处理器具有存储在存储器中的指令，用于启动所述燃料喷 射器(230)以将燃料喷射到所述燃烧室(240)内，以操作所述发动机 (104)在15:1的压缩比下运行。

15.  一种发动机，其特征在于，所述发动机包括：
气缸体，所述气缸体至少部分地限定气缸(202)；
活塞(206)，所述活塞(206)至少部分地设置在所述气缸(202)中；
气缸盖(204)，所述气缸盖(204)连接到所述气缸体且至少部分地封 闭所述气缸(202)；以及
权利要求1中所述的燃烧系统，其中所述活塞顶碗(236)形成于活 塞(206)的活塞顶(232)中，并且其中所述燃烧室(240)被限定在所述 气缸(202)、所述气缸盖(204)或所述活塞顶碗(236)的一个或多个之 间。

燃烧系统及对应的发动机
技术领域
例如，本发明实施例涉及一种燃烧系统及对应的发动机、发动机 部件和发动机系统。
背景技术
发动机可以利用排气后处理系统来减少受管制排放物。但是，后 处理系统可能增加发动机的维护和整体成本。此外，由于排放要求更 加严格，发动机可能需要进一步减少NO_x和微粒物质排放。发动机的 燃烧系统的特性，例如压缩比和燃料喷射参数，也可能影响NO_x和微 粒物质排放水平。
发明内容
在一个实施例中，燃烧系统(例如，发动机燃烧系统)包括：活 塞顶碗，所述活塞顶碗具有中心顶点；以及燃烧室，所述燃烧室可操 作在约13:1到约17:1范围内的压缩比下。所述燃烧室至少部分由所 述活塞顶碗构成。所述系统进一步包括燃料喷射器，所述燃料喷射器 具有延伸到所述燃烧室的中央部分内的喷嘴，其可操作地将燃料直接 喷射到所述燃烧室内。所述喷嘴具有6个到10个小孔，并且在约10,000 kPa的压力下提供具有从约90cm³/s到约95cm³/s的喷射器喷嘴流速。
其中，所述活塞顶碗形成于活塞的活塞顶中，所述活塞顶沿所述 活塞所在的气缸的中心轴居中，其中所述燃料喷射器和所述活塞顶碗 沿所述中心轴居中，并且其中所述活塞顶碗围绕所述中心轴对称。
其中，所述燃料喷射器相对于所述中心轴轴向对齐并且设置在所 述气缸的汽缸盖中。
其中，所述小孔围绕所述中心轴对称设置并且沿所述燃料喷射器 的所述喷嘴的外周设置。
其中，所述小孔的几何结构和数量在约10,000kPa压力下提供从 约92cm³/s到约94cm³/s范围内的所述喷射器喷嘴流速。
其中，所述喷嘴仅限定八个小孔。
其中，所述燃料喷射器被配置成在以相对于穿过所述燃料喷射器 的中心轴的相对小孔约135度到约140度的喷射角使用时，将燃料喷 射到所述燃烧室中，所述喷射角至少部分基于所述小孔的位置和几何 结构。
其中，每个小孔具有入口直径和出口直径，并且所述入口直径与 所述出口直径之间的标度差为5。
其中，每个小孔包括液压腐蚀磨圆的圆边，以相比于磨圆之前的 流量将所述流量增加约25％到约30％。
其中，所述燃料喷射器包括密封件，所述密封件被配置成不泄漏 以220,000kPa或以下压力通过共轨燃料输送系统供应的燃料。
其中，所述小孔中的至少两个小孔具有彼此不同的截面轮廓。
其中，所述小孔中的至少一个小孔具有非圆形截面轮廓。
其中，具有所述非圆形截面轮廓的所述小孔中的所述至少一个小 孔的截面轮廓为狭缝、新月形、椭圆形、星形、三角形或正方形中的 一个。
其中,所述小孔围绕所述中心轴对称设置并且沿圆顶形喷嘴的外 周设置，并且其中每个所述小孔的K因数为5、液压腐蚀磨圆在从28％ 到29％的范围内，所述K因数定义为每个所述小孔的入口直径与出口 直径之间的差再除以10微米的换算系数，其中所述燃料喷射器在约 10,000kPa的压力下具有从90cm³/s到92cm³/s的喷嘴流速，所述喷嘴 流速基于所述八个小孔以及所述小孔的所述K因数和所述液压腐蚀 磨圆。
所述的燃烧系统进一步包括排气通道和控制器，所述排气通道不 具有后处理系统且不包括排气催化剂或微粒过滤器，所述控制器包括 微处理器，所述微处理器具有存储在存储器中的指令，用于启动所述 燃料喷射器以将燃料喷射到所述燃烧室内，以操作所述发动机(104) 在15:1的压缩比下运行。
在一个实施例中，一种燃烧系统包括气缸、活塞顶和中央燃料喷 射器。所述气缸具有中心轴，所述活塞顶包括活塞顶碗，所述活塞顶 碗具有居中在所述中心轴上的中心顶点，所述活塞顶碗形成燃烧室， 所述燃烧室的体积提供15:1的压缩比。所述中央燃料喷射器可操作地 直接将燃料喷射到所述燃烧室中，所述中央燃料喷射器包括八个喷嘴 孔并且沿所述中心轴轴向设置在所述气缸的汽缸盖中。
其中，所述活塞顶碗围绕所述中心轴对称，其中所述中心顶点的 高度低于所述活塞顶的顶面的高度，其中所述活塞顶碗包括弧形底 部，所述弧形底部凹陷到所述中心顶点的所述高度下方并且围绕所述 中心顶点对称设置，并且其中所述中心顶点呈凸面球形，其具有从3 mm到5mm范围内的顶点半径，所述弧形底部具有凹面形状，其具 有从16mm到20mm范围内的底部半径。
其中，所述喷嘴孔围绕所述中心轴对称设置并且沿圆顶形喷嘴的 外周设置，并且其中每个所述喷嘴孔的K因数为5、液压腐蚀磨圆在 从28％到29％的范围内，所述K因数定义为每个所述喷嘴孔的入口直 径与出口直径之间的差再除以10微米的换算系数，而所述液压腐蚀 磨圆定义为磨圆前后所述喷嘴的流量增量百分比。
其中，所述中央燃料喷射器在约10,000kPa的压力下具有从 92cm³/s到94cm³/s的喷嘴流速，所述喷嘴流速基于所述八个喷嘴孔以 及所述喷嘴孔的所述K因数和所述液压腐蚀磨圆。
在又一个实施例中，一种燃烧系统包括气缸、活塞、中央燃料喷 射器以及不含后处理系统的排气通道。所述气缸具有中心轴，所述活 塞包括活塞顶，所述活塞顶具有碗，所述碗包括沿所述中心轴居中的 中心顶点，所述碗形成可操作在15:1压缩比下的燃烧室。所述中央燃 料喷射器用于将燃料喷射到所述燃烧室中，所述中央燃料喷射器包括 八个喷嘴孔并且沿所述中心轴轴向对齐并且设置在所述气缸的汽缸 盖中。
其中，所述排气通道不包括排气催化剂或微粒过滤器，其中所述 八个喷嘴孔中的每个喷嘴孔的K因数为5、液压腐蚀磨圆为28.5％， 其在约10,000kPa的压力下提供93.1cm³/s的喷射器喷嘴流速，所述 K因数定义为所述八个喷嘴孔中的每个喷嘴孔的内径与外径之间的差 再除以10微米的换算系数，并且其中所述中央燃料喷射器的喷嘴的 喷射角在135度到140度的范围内。
所述的系统进一步包括控制器，所述控制器包括微处理器，所述 微处理器具有存储在存储器中的指令，用于启动所述中央燃料喷射器 以将燃料喷射到所述燃烧室内，以操作安装有所述燃烧系统的发动机 在15:1的压缩比下燃烧。
在再一个实施例中，一种发动机包括气缸体、活塞、气缸盖以及 上述的燃烧系统。所述气缸体至少部分地限定气缸。所述活塞至少部 分地设置在所述气缸中。所述气缸盖连接到所述气缸体且至少部分地 封闭所述气缸。所述活塞顶碗形成于活塞的活塞顶中，并且其中所述 燃烧室被限定在所述气缸、所述气缸盖或所述活塞顶碗的一个或多个 之间。
在一个实例中，减小所述发动机的压缩比可以减少发动机排放。 此外，提供特定燃料喷射参数(本说明书中所述)可以进一步减少排 放，同时维持发动机性能。因此，若燃烧系统以约13:1到约17:1的 压缩比工作并且包括燃料喷射器，所述燃料喷射器具有六个到十个经 配置以减少排放(相对于不同构造的其他燃料喷射器)的小孔，则发 动机的NO_x和微粒物质排放可以少于具有较高压缩比的发动机。除了 满足行业规定的排放要求之外，减少微粒物质和NO_x排放还可以减小 发动机后处理系统的大小或省略该系统。减小后处理系统的大小可以 减少发动机燃料消耗，同时也可以减小发动机的总成本和维护成本。
应了解，上述简要说明用于简单地介绍特定概念，这些概念将在 具体实施方式部分中进一步描述。本部分并不意图确定提出权利要求 的本发明的关键或基本特征，本发明的特征仅由随附的权利要求书限 定。此外，本发明并不限于解决上述或本说明书中任何部分所述的任 何缺点的具体实施方案。
附图说明
参考附图阅读以下非限制性实施例的描述将会更好地理解本发 明，其中：
图1示出了具有根据本发明一个实施例的发动机的轨道车辆的示 意图。
图2示出了具有根据本发明一个实施例的发动机的轨道车辆的示 意图。
图3示出了根据本发明一个实施例的活塞顶的示意图。
图4示出了根据本发明一个实施例的燃料喷射器的示意图。
图5示出了根据本发明一个实施例的燃料喷射器的喷嘴的立体 图。
图6示出了根据本发明一个实施例的燃料喷射器的喷嘴的端视 图。
图7示出了根据本发明一个实施例的燃料喷射器的喷嘴的截面 图。
具体实施方式
以下说明涉及一种用于发动机系统，例如图1中所示的发动机系 统的燃烧系统的多个实施例。图2中所示的燃烧系统可以包括活塞顶 碗、燃烧室和燃料喷射器。所述活塞顶碗可以具有至少部分构成燃烧 室的几何结构。所述燃烧室可以在约13:1到约17:1范围内的压缩比 下工作。随着压缩比下降，NO_x和微粒物质排放也可以减少。如图3 中所示，活塞顶碗的大小可以经过调整以提供所需的压缩比。燃料喷 射器喷嘴的几何结构还可以影响NO_x和微粒物质排放。具体来说，喷 嘴孔的数目与喷嘴孔的几何结构一起可以决定影响发动机NO_x和微 粒物质排放的喷嘴流动速率以及喷射角。因此，可以根据活塞顶和几 何结构限定如图4到图7中所示的喷嘴的几何结构，以进一步减少 NO_x和微粒物质排放，同时维持发动机性能。因此，可以减小发动机 排放水平，以满足减少或者省去排气后处理的排放水平要求。
本说明书中所描述的方法可以用于各种发动机类型和各种发动 机驱动的系统中。这些系统中的一部分可以是固定的，而其他系统可 以构建于半移动式平台或移动式平台上。可以在工作周期之间对半移 动式平台进行重新定位，如安装在平板拖车上。移动式平台包括自行 推进的车辆。此类车辆可以包括道路运输车辆以及采矿设备、船舶、 轨道车辆和非公路车辆(OHV)。为清楚地说明，以机车作为支撑结 合有本发明的实施例的系统的示例性移动式平台。
进一步介绍用于减少发动机排放的燃烧系统之前，本说明书公开 了一种平台的实例，在所述平台中，发动机系统可以安装在诸如轨道 车辆等车辆中。例如，图1示出了车辆系统100的一个实施例的方框 图，在本说明书中，所述车辆系统被描述为轨道车辆106(例如，机 车)，所述轨道车辆被配置成通过多个车轮110在轨道102中运行。 如图所示，轨道车辆106包括发动机104。在其他非限定性实施例中， 发动机104可以是固定发动机，例如发电厂应用中；或者船舶中的发 动机；或者上述其他非公路车辆推进系统。
发动机104从诸如进气歧管115等进气管(intake)接收燃烧进气。 所述进气管可以是允许气体流进入发动机的一个或多个任何适当管 道。例如，所述进气管可包括进气歧管115、进气通道114等。进气 通道114从空气过滤器(未示出)接收环境空气，所述空气过滤器过 滤来自设置有发动机104的车辆外部的空气。在发动机104中燃烧所 产生的废气将被供应到排气管(exhaust)。排气管可以是气体从发动 机中流出所穿过的任何合适的管道。例如，排气管可包括排气歧管 117、排气通道116等。排气经由排气通道116流出轨道车辆106的 排气管。在一个实施例中，发动机104是柴油发动机，所述柴油发动 机通过压缩点火燃烧空气和柴油燃料。在其他非限制性实施例中，发 动机104可以通过压缩点火(和/或火花点火)来燃烧燃料，包括：汽 油、煤油、生物柴油或密度类似的其他石油馏出物。
在一个实施例中，轨道车辆106是柴油发电机车辆。如图1中所 示，发动机104连接到发电系统，所述发电系统包括交流发电机/发电 机140和牵引电动机112。例如，发动机104是产生扭矩输出的柴油 发动机，所述扭矩输出传输到与发动机104机械连接的交流发电机/ 发电机140。交流发电机/发电机140产生能够储存和施加以便后续传 播到多个下游电气部件中的电力。例如，交流发电机/发电机140可以 电连接到多个牵引电动机112并且交流发电机/发电机140可以向多个 牵引电动机112提供电力。如图所示，多个牵引电动机112各自连接 到多个车轮110中的一个车轮，以提供推进轨道车辆106的牵引力。 一种示例性构造包括每个车轮一个牵引电动机。如本说明书中所述， 六对牵引电动机对应于轨道车辆的六对车轮中的每对车轮。在另一个 实例中，交流发电机/发电机140可以连接到一个或多个电阻网142。 电阻网142可以被配置成当牵引电动机不需要电力时，通过电阻网142 产生的热量从交流发电机/发电机140产生的电力消耗过量发动机扭 矩。
在图1中所示的实施例中，发动机104是具有十二个气缸的V-12 发动机。在其他实例中，发动机可以是V-6、V-8、V-10、V-16、I-4、 I-6、I-8、对置式4或另一种发动机类型。如图所示，发动机104包括 使用排气再循环(EGR)的NO_x排放物减少机构。EGR是通过使用供 体和非供体气缸实现的。非供体气缸105分组包括六个气缸，专门用 于将排气供应到非供体气缸排气歧管117，而供体气缸107分组包括 六个气缸，专门用于将排气供应到供体气缸排气歧管119。非供体气 缸105是第一气缸组109的一部分，而供体气缸107是发动机104的 第二气缸组111的一部分。在其他实施例中，所述发动机可以包括至 少一个供体气缸和至少一个非供体气缸。例如，发动机可具有四个供 体气缸和八个非供体气缸或者三个供体气缸和九个非供体气缸。应了 解，发动机可具有任何所需数量的供体气缸和非供体气缸，其中供体 气缸的数量通常等于或小于非供体气缸的数量。所属领域中的技术人 员可清楚地了解到，EGR也可以通过替代方法实现，例如使用高压/ 低压泵或者背压系统或其他该等装置。
如图1中所示，非供体气缸105连接到排气通道116，以将发动 机中的排气输送到大气中(穿过涡轮增压器120之后)。具体来说， 非供体气缸105连接到排气通道116，以将发动机中的排气输送到涡 轮增压器120。提供发动机排气再循环(EGR)的供体气缸107专门 连接到EGR系统160的EGR通道162，所述EGR系统将排气从供体 气缸107输送到EGR冷却器166中。排气随后从EGR冷却器166输 送到发动机104的进气通道114中，而不输送到大气中。通过将冷却 的排气输送到发动机104中，可供燃烧的氧气量减少，因而降低燃烧 火焰的温度并且减少氮氧化物(例如，NO_x)的形成。
从供体气缸107流向进气通道114的排气在返回到进气通道114 之前穿过热交换器，例如EGR冷却器166，以降低所述排气的温度(例 如，冷却)。例如，EGR冷却器166可以是空气液体热交换器。在此 实例中，可调节设置于进气通道114中(例如，再循环排气入口的上 游)的一个或多个增压空气冷却器，例如增压空气冷却器134，以进 一步增强增压空气的冷却，以将增压空气与排气混合物的温度维持在 所需温度。在其他实例中，EGR系统160可包括EGR冷却器旁路。 替代地，EGR系统可包括EGR冷却器控制元件。可启动EGR冷却器 控制元件以减少穿过EGR冷却器的排气流；然而，在这种构造中， 未流过EGR冷却器的排气将被输送到排气通道116而不是进气通道 114。
此外，EGR系统160包括EGR旁通通道161，所述旁通通道161 被配置成将排气从供体气缸107输送回排气通道116中。可以通过 EGR旁通阀163控制EGR旁通通道161。EGR旁通阀163可以设置 多个限制点，以便将可变量的排气输送到排气装置，从而向进气管提 供可变量的EGR。
EGR系统还包括EGR阀165，用于控制流过EGR通道162的EGR 流。因此，EGR系统160可以选择性地经由EGR阀165将排气输送 到进气管或者经由EGR旁通阀163输送到排气通道116。例如，当 EGR阀165打开时，排气可以从供体气缸107输送到EGR冷却器166 和/或其他元件，然后再输送到进气通道114。类似地，当EGR旁通 阀163打开时，排气可以从供体气缸107输送到排气通道116。这两 个阀位置的组合将通过通路阀调节流过EGR冷却器的EGR流动速 率。
例如，EGR阀165和EGR旁通阀163可以是由控制单元180控 制的双位阀(用于打开或关闭EGR流)，或者它们可控制可变量的 EGR。因此，可以将这些阀调整到介于完全打开与完全关闭之间的多 个位置。在一些实例中，可启动EGR旁通阀163以减少EGR量(排 气从EGR旁通通道161流到排气通道116)。例如，可以增大EGR 旁通阀163的开度(opening)，从而增加从供体气缸107输送到排气 通道116的排气流。在另一个实例中，可以启动EGR旁通阀163以 增加EGR量(例如，从供体气缸排气歧管119输送到EGR通道162 的排气流)。例如，可以减小EGR旁通阀163的开度，从而减少输 送到排气通道116的流量。
在这种构造中，EGR旁通阀163可操作地将排气从供体气缸107 输送到发动机104的排气通道116，而EGR阀165可操作地将排气从 供体气缸107输送到发动机104的进气通道114。在图1中所示的实 施例中，EGR旁通阀163和EGR阀165可以是发动机油或者液压式 控制阀，例如，调节所述发动机油的往复阀(未图示)。在一些实例 中，可以启动这些阀以使EGR旁通阀163和EGR阀165中的一个阀 通常打开，另一个阀通常关闭。在其他实例中，EGR旁通阀163和 EGR阀165可以是气动阀、电动阀或其他适当的阀。
如图1所示，车辆系统100进一步包括EGR混合器172，所述 EGR混合器172将再循环排气与增压空气混合以使得排气均匀分布于 增压空气与排气混合物中。在图1中所示的实施例中，EGR系统160 是高压EGR系统，其将排气从排气通道116中位于涡轮增压器120 上游的位置输送到进气通道114中位于涡轮增压器120下游的位置。 在其他实施例中，车辆系统100可以附加地或替代地包括低压EGR 系统，其将排气从排气通道116中位于涡轮增压器120下游的位置输 送到进气通道114中位于涡轮增压器120上游的位置。
如图1中所示，车辆系统100包括涡轮增压器120，所述涡轮增 压器120设置在进气通道114与排气通道116之间。涡轮增压器120 提高吸入进气通道114中的环境空气的压力，以便在燃烧期间提供更 大的增压密度，从而提高功率输出和/或发动机工作效率。涡轮增压器 120可以包括至少部分地由涡轮机(未示出)驱动的压缩机(未示出)。 虽然本情况中包括单个涡轮增压器，但系统可包括多个涡轮机和/或压 缩机级。
在一些实施例中，车辆系统100可以进一步包括后处理系统，所 述后处理系统连接在排气通道116中位于涡轮增压器120的上游和/ 或下游处。在一个实施例中，所述后处理系统可以包括柴油机氧化催 化剂(DOC)和柴油机微粒过滤器(DPF)。在其他实施例中，所述 后处理系统可附加地或替代地包括一个或多个排放控制装置。这些排 放控制装置可包括选择性催化还原(SCR)催化剂、三元催化剂、NO_x捕集器或者多种其他装置或系统。在图1中所示的实施例中，车辆系 统100不包括后处理系统。具体来说，发动机104与位于环境空气中 的排放通道116末端之间的整个排放通道116不包括后处理系统。因 此，车辆系统100的排气通道116不包括任何排气催化剂、排放控制 装置或微粒过滤器。如下进一步所述，车辆系统的燃烧系统可以设计 成使NO_x和微粒物质排放量足够低，而无需进一步减少NO_x和微粒物 质的后处理系统。在一些实施例中，相对于较大、更传统的后处理系 统，车辆系统100可以包括较小且部件较少的后处理系统。
车辆系统100进一步包括控制单元180，其被设置并且配置成控 制与车辆系统100相关的多个部件。本说明书中，控制单元180还可 以称为控制器。在一个实例中，控制单元180包括计算机控制系统。 控制单元180进一步包括非瞬时性计算机可读存储介质(未图示)， 该存储介质包括用于车载监测和发动机运行控制的代码。在控制和管 理车辆系统100的同时，控制单元180可以被配置成从多个发动机传 感器接收信号，如下文进一步所述，以便确定运行参数和运行条件， 并且相应地调整多个发动机致动器以控制车辆系统100的运行。例如， 控制单元180可以从多个发动机传感器接收发动机速度、发动机荷载、 环境压力、排气温度、排气压力、涡轮机速度等信号。相应地，控制 单元180可通过向牵引电动机、交流发电机、气缸阀、节流阀、热交 换器、废气门或其他阀或流量控制元件等多个部件发送命令来控制车 辆系统100。
现在参见图2，其中图示了发动机，例如图1中所示的发动机104 的燃烧系统200。燃烧系统200包括燃料喷射器230、活塞206和气 缸202。图3更详细地示出了活塞206的一部分。图4到图6示出了 燃料喷射器230的进一步细节和视图。图2到图6是近似按比例绘制 的。
如上文参照图1所述，发动机104可以包括多个气缸，例如非供 体气缸105和/或供体气缸107。燃烧系统200可以包括多个气缸和对 应的燃烧部件。图2中示出了燃烧系统200的单个气缸202。
气缸202具有中心轴228。气缸202可以由发动机的气缸体 (cylinder block)限定，例如，所述气缸体可以包括金属主体，所述 金属主体内具有用于接纳活塞的一个或多个圆柱小孔(发动机气缸)。 活塞206设置在气缸202内并且沿中心轴228居中。活塞206呈圆柱 形。活塞206的外壁可以与气缸202的内壁接触并且抵靠其滑动。坐 标轴208被图示为包括纵轴210和水平轴212。相对于垂直轴210， 活塞206可以在气缸202内垂直移动。此外，活塞206可以连接到曲 柄轴214，以便活塞206的往复运动被转换成曲柄轴214的转动。在 一些实施例中，所述发动机是四冲程发动机，其中在曲柄轴214的两 次回转中，每个气缸按照点火次序点火一次。在其他实施例中，所述 发动机是两冲程发动机，其中在曲柄轴214的一次回转中，每个气缸 按照点火次序点火一次。
气缸202包括汽缸盖204。气缸202从进气通道结构216接收进 气并且将燃烧气体排放到排气通道结构218中。进气通道结构216可 以连接到发动机的进气歧管，例如图1中所示的进气歧管115，并且 排气通道结构218可以连接到发动机的排气歧管，例如图1中所示的 非供体气缸排气歧管117或供体气缸排气歧管119。进气通道结构216 和排气通道结构218选择性地通过进气阀220和排气阀222与气缸202 连通。在一些实施例中，气缸202包括两个或更多个进气阀以及/或者 两个或更多个排气阀。如图2中所示，进气阀220和排气阀222设置 在汽缸盖204内，并且相对于纵轴210设置在气缸202的顶部。
在图2中所示的实例中，进气阀220和排气阀222分别由凸轮致 动系统224和226控制。凸轮致动系统224和226各自包括一个或多 个凸轮轴并且使用由控制器(例如图1中所示的控制器180)操作的 一个或多个凸轮转换(CPS)、可变凸轮正时(VCT)、可变气门正 时(VVT)和/或可变气门升程(VVL)系统，以调节阀操作。
燃料喷射器230图示为直接连接到气缸202，以直接将燃料喷射 到其中。具体来说，燃料喷射器230被图示为具有喷嘴，所述喷嘴延 伸到气缸202的燃烧室240的中央部分中。通过这种方式，燃料喷射 器230可直接将燃料喷射到气缸202中。在一个实例中，燃料是通过 压缩点火在发动机中燃烧的柴油燃料。在其他非限制性实施例中，燃 料是通过压缩点火(和/或火花点火)在发动机中燃烧的天然气和/或 汽油、煤油密度类似的其他石油馏出物。此外，燃料喷射器230设置 在气缸202的汽缸盖204中。如图2中所示，燃料喷射器230是中央 燃料喷射器，其相对于纵轴210轴向设置并且沿中心轴228居中。下 文参照图4到图6说明了燃料喷射器230的进一步细节。
燃料喷射器230是共轨燃料输送系统的一部分，其将加压燃料输 送到发动机气缸中。共轨燃料输送系统的公共燃料轨道将燃料输送到 燃烧系统200的燃料喷射器230中。燃料喷射器230包括密封件，所 述密封件被配置成不泄漏在220,000kPa或以下的压力下通过共轨燃 料输送系统供应的燃料。在其他实施例中，所述密封件可以被配置成 不泄漏通过在高于220,000kPa及以下压力下供应的燃料，具体取决 于相关共轨燃料输送系统的工作压力。所述密封件可以包括密封表 面，所述密封表面与燃料喷射器230成一整体并且连接到燃料喷射器 230。
如上所述，活塞206设置在气缸202内。所述活塞包括活塞顶 (piston crown)232和活塞裙(piston skirt)234。在一些实施例中， 活塞顶232和活塞裙234形成为一个整体。在其他实施例中，活塞顶 232和活塞裙234是连接在一起(例如，机械连接)的独立部分。活 塞裙234连接到曲柄轴214。活塞顶232相对于纵轴210设置在活塞 裙234上方。因此，活塞顶232设置在气缸202顶部附近，而活塞裙 234设置在气缸202底部附近。气缸202的顶部可以是最接近气缸盖 204、燃料喷射器230、进气阀220和排气阀222的气缸第一端。气缸 202的底部可以是最接近曲柄轴214的气缸第二端。
活塞顶232包括活塞顶碗或活塞碗(piston bowl)236，需说明的 是本发明中活塞碗236、活塞顶碗236或活塞顶232的碗可为表达同 一构件的可换用术语。燃烧室240由活塞碗236、气缸202的侧面以 及气缸202的顶部构成。下文参照图3提供了有关活塞碗形状的进一 步细节。如果发动机是四冲程发动机，则在发动机工作期间，发动机 内的每个气缸均经历四冲程循环：所述循环包括进气冲程、压缩冲程、 膨胀冲程和排气冲程。通常在进气冲程中，排气阀222关闭并且进气 阀220打开。空气经由进气通道结构216引入燃烧室240中，并且活 塞206移动到气缸202的底部，从而增大燃烧室240内的体积。所属 领域中的技术人员通常将活塞206接近(例如，靠近)气缸202的底 部并且处于其冲程结尾(例如，当燃烧室240的体积最大时)的位置 称为下止点(BDC)。压缩冲程中，进气阀220和排气阀222关闭。 活塞206向汽缸盖204移动，从而压缩燃烧室240内的空气。所属领 域中的技术人员通常将活塞206处于其冲程结尾并且最接近活塞盖 204(例如，当燃烧室240体积最小时)的位置称为上止点(TDC)。 在下文称为喷射的过程中，燃料经由燃料喷射器230引入燃烧室240 中。换言之，燃料喷射器230将燃料直接喷射到燃烧室240中。膨胀 冲程中，膨胀气体将活塞206推回BDC。曲柄轴214将活塞运动转换 成旋转轴的旋转扭矩。最后，在排气冲程中，排气阀222打开以将燃 烧空气-燃料混合物释放到排气通道结构218中，并且活塞206返回到 TDC。请注意，上文仅为实例并且可以改变进气阀和排气阀打开和/ 或关闭时机，以提供正压或负压阀重叠、延迟进气阀关闭或者各种其 他实例。
气缸202的压缩比可以定义为当活塞206处于其冲程底部(例如， BDC处)时燃烧室240的体积与当活塞206处于其冲程顶部(例如， TDC处)时燃烧室240的体积之比。因此，燃烧室的体积以及随后气 缸202的压缩比至少部分基于活塞碗236的几何结构(例如，形状)。 活塞碗236的形状形成活塞碗的体积并且随后影响燃烧室240的体 积。可以与气缸202的形状一起限定活塞碗几何结构，以给出具体压 缩比。
具有第一较低压缩比的第一发动机排放(例如，微粒物质和NO_x排放)可以小于具有第二较大压缩比的第二发动机。具体来说，第一 发动机的燃烧室可以在从约13:1到约17:1的范围内的压缩比下工作。 第二发动机的燃烧室可以在高于13:1到17:1的范围(例如，从约18:1 到22:1的范围内)内的压缩比下工作。因此，第一发动机的微粒物质 生成速率较低并且NO_x形成速率较低。
因此，设计具有较小压缩比的燃烧系统可以减少发动机的排放。 但是同时，较高压缩比可以提高发动机效率。图2中所示的活塞碗236 成形为提供从约13:1到约17:1范围内的压缩比。如上所述，此压缩 比范围可以是将发动机排放量减小到满足标准或监管水平的浓度水 平，同时仍然满足相对较高发动机效率(例如，高于具有较低压缩比 的发动机)的较小压缩比。
在一个实例中，图2中所示的燃烧系统的压缩比为约15:1。在本 实例中，压缩比为15:1的活塞碗可以相对于压缩比高于15:1的其他 发动机减少发动机的排放浓度水平。具体来说，约15:1的压缩比可以 维持低排放水平，同时仍然维持高效率。例如，15:1的压缩比可以足 够高，以维持燃烧系统的高热力效率。但是，压缩比可以仍然足够低， 以便将高浓度水平的空气和EGR供应到发动机，而不违反峰值气缸 压力约束。压缩比15:1可以平衡这些要求，以便为控制NO_x而维持高 水平EGR、为控制微粒物质而维持高空气流量水平并且通过压缩比维 持高发动机效率。
在一些实例中，下文详述的燃料喷射器230可以经配置以减少发 动机排放和微粒物质，同时提供压缩比为15:1的活塞碗设计。例如， 燃料喷射器230的喷嘴喷射角可以影响微粒物质排放量。具体来说， 如果喷嘴喷射过宽，则喷射即可能与气缸盖相互作用，导致微粒物质 排放较高。类似地，过窄的喷嘴喷射角可能导致混合减少并且微粒物 质排放较高。因此，配置喷嘴喷射角以减少排放可以提供排放较少的 燃烧系统。此外，燃料喷射器喷嘴流速可以通过总燃料喷射器孔大小 (例如，孔径尺寸)进行控制并且还可以影响微粒物质排放。例如， 相对于喷嘴流速较低时，较高喷嘴流速可以由于更快燃烧而提高效 率。但是，较快燃烧可能导致微粒物质排放增多。因此，需要在减少 燃料消耗的喷嘴流速与维持目标排放水平之间做出权衡。
因此，以下进一步所述的压缩比15:1、活塞碗设计以及燃料喷射 器设计可以相对于压缩比较高且喷射器设计不同的更多标准发动机， 提供效率相对较高且NO_x和微粒物质排放较少的发动机。在另一个实 例中，图2中所示的燃烧系统的压缩比为约16:1。图3示出了提供此 范围内的压缩比的活塞碗236的更多几何结构细节。
此外，配置燃料喷射器的燃料喷射参数可以进一步减少排放，同 时维持发动机性能。如下文参照图4到图6所述，可以针对指定压缩 比配置燃料喷射器230的喷嘴，以将微粒物质和NO_x排放减少到阈值 水平或以下。在一个实例中，阈值水平可以基于行业监管或标准值。 此外，图2中所述的燃烧系统可以用于未配置后处理系统的车辆系统 中(例如，整个排气通道不包含用于处理发动机排气的任何特定过滤 器、排气催化剂或类似装置)。因此，可以针对指定压缩比配置燃料 喷射器230的喷嘴，以便在不处理排气通道中的排气的情况下，将微 粒物质和NO_x排放减少到监管水平或以下。例如，喷嘴几何结构，例 如小孔大小和数量(例如，喷嘴孔)，可以影响发动机排放的微粒物 质和NO_x水平。具体来说，喷嘴几何结构可以影响喷嘴流速。在一个 实例中，减少喷嘴流速(例如，流过喷射器喷嘴的燃料的流速)可以 减少微粒物质排放。下文将参考图4到图6介绍燃料喷射器230的喷 嘴几何结构的进一步细节。
通过这种方式配置燃烧系统几何结构可以减少微粒物质排放和 NO_x排放。此外，配置燃烧系统可以免于使用后处理系统。消除后处 理系统可以降低发动机成本，同时仍然满足排放要求。消除后处理系 统还可以减少发动机的燃料消耗，从而导致较低的发动机的寿命周期 成本。在替代实施例中，相对于标准车辆后处理系统，优化的燃烧系 统可以包括较小且部件较少的后处理系统。
现在转到图3，其中图示了活塞顶232的截面图300。图300还 包括具有纵轴210和水平轴212的坐标轴208。活塞顶232的截面取 自由纵轴210和水平轴212构成的x-y平面。活塞顶232具有整体圆 柱形并且沿中心轴228居中在气缸202内(如图2中所示)。活塞顶 232具有与图2中所示的中心轴228平行和重合的中心轴302。因此， 活塞顶232围绕中心轴302以及中心轴288对称。
如图3中所示，活塞顶232包括可以与气缸内壁接触的外壁304 (例如，外部)。此外，活塞顶232包括顶面306。顶面306大体平 坦并且围绕活塞顶232的外周。顶面306的高度H从活塞顶232的水 平孔轴308测量。在一个实例中，顶面高度H可以为60mm到80mm。 在另一个实例中，顶面306的高度H可以大于80mm或小于60mm。 顶面306的高度H可以基于活塞裙的大小(或者活塞的总大小)以及 气缸大小(例如，气缸高度或长度)。
如上文参照图2所述，活塞顶232包括活塞碗236。本说明书中 还可以将活塞碗236称为活塞顶碗或活塞顶232的碗。活塞碗236围 绕中心轴302对称。活塞碗236包括沿中心轴302居中的中心顶点310。 顶点310呈凸面球形，所述凸面球形具有顶点半径R1。在一个实例中， 顶点半径R1为3mm到5mm。例如，顶点半径R1可以为约4mm。 在另一个实例中，顶点半径R1可以大于5mm或小于3mm。顶点310 的高度与顶面306的高度H大致相同。在替代实施例中，顶点310的 高度可以小于顶面306的高度H。
从顶点310起，活塞碗236沿纵轴210的方向向下倾斜并且向活 塞碗236的弧形底部312倾斜。弧形底部312凹陷到顶面306的高度 H和顶点310下方。具体来说，活塞碗236具有限定为从顶面306到 弧形底部312的深度D。此外，弧形底部312围绕顶点310对称设置。 弧形底部312大体呈凹面形状，其具有底部半径R4。在一个实例中， 底部半径R4为16mm到20mm。例如，底部半径R4可以为约18mm。 在另一个实例中，底部半径R4可以大于20mm或小于16mm。
弧形底部312具有底部直径D3。底部直径D3小于碗直径D2和 活塞直径D1。如果碗直径D3减小，弧形底部312移动到更接近顶点 310处。因此，顶点310与弧形底部312之间的倾斜可能变得更严重 并且具有较大角度，即从与顶点310相切到与中心轴302垂直的水平 面限定的角度。同时，将弧形底部312移动到更接近顶点310处可缓 解弧形底部312与顶面306之间的倾斜严重程度(例如，斜度减小)。 通过这种方式，底部直径D3可以影响活塞碗236的形状。
活塞碗236通过弧形过渡部(例如，倒角)从弧形底部312过渡 到活塞顶232的顶面306。弧形过渡部具有过渡半径R3。在一个实例 中，弧形过渡半径为6mm到14mm。在另一个实例中，过渡半径R3 可以小于6mm或者大于14mm。
活塞顶232还包括中心孔314。中心孔314呈弧形冠状，并且沿 中心轴302居中。在另一个实施例中，中心孔314可以具有敞口圆柱 形等不同形状。此外，如图3中所示，活塞顶232包括呈弧形和椭圆 形的空腔部分340。在替代实施例中，空腔部分340可以具有不同形 状或大小，例如更圆的形状或方形。
上述活塞碗236的深度D与活塞顶232的不同半径一起决定活塞 碗236的体积。活塞碗236的碗直径D2限定在顶面306的侧边之间。 碗直径D2进一步决定活塞碗体积。因此，可以选择深度D、半径和 碗直径D2以得到所需的活塞碗体积。所需活塞碗体积可以基于气缸 和发动机的所需压缩比(例如，15:1)。
此外，活塞顶具有总活塞直径D1，其也是活塞的直径。在一个 实例中，活塞直径D1为从200mm到300mm。例如，活塞直径可以 是250mm。在另一个实例中，活塞直径D1可以小于200mm或者大 于300mm。活塞直径D1可以基于气缸直径。例如，活塞直径D1可 以略微小于气缸直径。此外，可以基于气缸的所需压缩比调整活塞直 径D1。
图4示出了燃料喷射器230的截面图400。具体来说，图400示 出了燃料喷射器230的喷嘴402(例如，喷射器喷嘴)。图400还包 括具有纵轴210、水平轴212和横轴450的坐标轴208。燃料喷射器 230的截面取自由纵轴210和水平轴212构成的x-y平面。燃料喷射 器230具有中心轴404。如图2中所示，中心轴404沿气缸202的中 心轴228设置。
燃料喷射器230呈圆柱形。燃料喷射器230的主体408的直径410 大于喷嘴402的喷嘴直径412。喷嘴402具有喷嘴长度414。在一个 实例中，喷嘴长度414为30mm到40mm。例如，喷嘴长度414可以 是34mm。在另一个实例中，喷嘴长度414可以大于40mm或小于 30mm。喷嘴长度414可以为燃料喷射器230的总长度的约1/5。当燃 料喷射器230设置在气缸中，喷嘴402延伸到气缸燃烧室的中央部分 内。例如，如图2中所示，喷嘴402的喷嘴头420伸出到燃烧室内。 喷嘴402可操作地将燃料直接喷射到燃烧室内。
喷嘴402包括喷嘴主体415，喷嘴主体415包括喷嘴流动通道416 和喷嘴针阀418。喷嘴402进一步包括喷嘴头420。喷射燃料经由燃 料喷射器230的流动通道406流向喷嘴流动通道416的下游。喷嘴针 阀418控制流过喷嘴流动通道416以及流出喷嘴头420的燃料流量。
喷嘴402的喷嘴头420呈凸面圆顶形，其具有直径422。在一个 实例中，直径422为5mm到7mm。例如，喷嘴头420的直径422 可以是6mm。在另一个实例中，直径422可以大于7mm或小于5mm。 此外，喷嘴头420具有2mm到4mm的圆顶高度438。例如，圆顶高 度438可以为约3mm。在另一个实例中，圆顶高度438约为喷嘴头 420的直径422的一半。
燃料喷射到喷嘴头(nozzle tip)420的燃烧室中。喷嘴402的圆 顶形喷嘴头420限定多个小孔。换言之，喷嘴头420包括多个小孔。 所述小孔是供燃料从喷嘴402的内部流向燃烧室的小通路或通道。喷 嘴头420包括6个到10个小孔。在一个实施例中，如图4和图7中 所示(图7如下文详述)，所述小孔具有圆形截面轮廓并且可以称为 喷嘴孔。具体来说，喷嘴头420包括具有多个喷嘴孔开口的圆柱形内 腔424。喷嘴头420具有多个喷嘴孔426。喷嘴孔426围绕中心轴404 对称设置。喷嘴孔426包括内孔开口428、外孔开口430以及延伸在 内孔开口428与外孔开口430之间的端口432(例如，通路)。喷嘴 孔426的外孔开口430沿喷嘴头420的外周设置。因此，每个喷嘴孔 426具有供燃料从对应内孔开口428流到位于喷嘴头外部的外孔开口 430的长度。
内腔424的直径434小于喷嘴头420的直径422。在一个实例中， 直径434为1.5mm到2.5mm。例如，直径434可以是2mm。在另一 个实例中，直径434大于2.5mm或小于1.5mm。在另一个实例中， 直径434约为直径422的1/3。
每个喷嘴孔426相对于穿过中心轴404的相对喷嘴孔倾斜，以便 喷嘴402的喷嘴头420具有135度到140度的喷射角436。因此，燃 料喷射器230被配置成在以相对于穿过燃料喷射器230中心轴404的 相对喷嘴孔426的135度到140度喷射角工作时，将燃料喷射到燃烧 室内。在一个实例中，喷嘴402具有加工公差为±2.5度的约137.5度 的喷射角436。如图4中所示，喷射角436限定在第一喷嘴孔与第二 喷嘴孔之间，所述第一喷嘴孔与第二喷嘴孔是围绕喷嘴头420的圆周 彼此相隔约180度的对应喷嘴孔。可以从图6中更清楚地看出，如下 文详述。喷射角436可以至少部分基于喷嘴孔426的位置和几何结构。
在另一个实施例中，中央喷射角可以限定在中心轴404与一个喷 嘴孔之间。在一些实例中，中央喷射角可以约为上述喷射角436的一 半。例如，喷嘴402可以具有加工公差为±2.5度的约68.75度的中央 喷射角。在另一个实例中，中央喷射角可以在约67.5度到70度的范 围内。所述中央喷射角可以用于限定具有奇数喷嘴孔426的喷嘴402 的喷射角。
图5示出了燃料喷射器230的喷嘴402的立体图500。其中图示 了具有纵轴210、水平轴212和横轴450的坐标轴208。多个喷嘴孔 426被图示为围绕喷嘴头420的外周设置。此外，多个喷嘴孔426设 置在圆顶形喷嘴头420的底座附近。
图6示出了燃料喷射器230的喷嘴头420的立体图600。其中图 示了具有水平轴212和横轴450的坐标轴208。端视图600取自由横 轴450和水平轴212限定的平面中。端视图600示出了围绕中心轴404 对称设置的八个喷嘴孔426(例如，小孔)。如图4中所述，每个喷 嘴孔426包括对应的内孔开口428、外孔开口430和端口432。喷嘴 孔426的内孔开口428围绕内腔424的圆周对称设置。喷嘴孔426的 外孔开口430围绕喷嘴头420的外周对称设置。
如图6中所示，八个喷嘴孔426中的每个喷嘴孔彼此隔开角602。 在这种情况下，角602约为45度，以便八个喷嘴孔426彼此大体相 等地隔开。在一个实施例中，如图6中所示，喷嘴仅限定八个喷嘴孔 426(例如，小孔)。在替代实例中，喷嘴头420可以包括六个到十 个喷嘴孔426。例如，在一个实施例中，喷嘴头420可以仅包括六个 喷嘴孔426。在本实施例中，角602约为60度。
此外，每个喷嘴孔426具有入口直径和出口直径。具体来说，每 个喷嘴孔426的内孔开口428具有入口直径，而每个喷嘴孔426的外 孔开口430具有出口直径。因此，内孔开口428可以称为喷嘴孔426 的入口，而外孔开口430可以称为喷嘴孔426的出口。在一个实例中， 入口直径为0.25mm到0.35mm。入口直径大于出口直径。K因数定 义为内径与外径之间的经缩放的差。具体来说，K因数是入口直径与 出口直径的差，除以10微米的换算系数(scaling factor)。喷嘴402 的K因数为5。在另一实例中，喷嘴402的K因数大于或小于5。在 一个实例中，如果喷嘴402的K因数约为5，则出口直径可以在从约 0.2mm到约0.3mm的范围内。
此外，入口直径使用液压磨圆程序磨圆。具体来说，喷嘴孔426 具有液压腐蚀磨圆的圆边，以相对于磨圆之前的流量增大流量约25％ 到约30％。换言之，液压腐蚀磨圆可以相对于在施加具体磨圆百分比 之前流过喷嘴孔426的流量，增大流过喷嘴孔426的流量。在一个实 例中，液压腐蚀磨圆在从约28％到约29％的范围内。例如，液压腐蚀 磨圆可以是28.5％。
喷嘴402和喷嘴孔426的几何结构影响喷嘴402的喷嘴流速。具 体来说，上述喷嘴孔426的几何结构和数量在约10,000kPa的压力下 提供从约90cm³/s到约95cm³/s的喷射器喷嘴流速。例如，若喷嘴402 仅具有八个喷嘴孔426以及上述几何结构范围，则可在约10,000kPa 的压力下提供从约92cm³/s到约94cm³/s的喷嘴流速。在一个实例中， K因数为5、液压磨圆28.5％的八个喷嘴孔426在约10,000kPa的压 力下提供约93.1cm³/s的喷嘴流速。在一个实例中，约93.1cm³/s的喷 射器喷嘴流速可以是通过图3中所示的活塞顶设计减少排放的目标流 速。若发动机具有不同几何结构(例如，不同K因数和液压磨圆)、 不同数量的喷嘴孔(例如，四个喷嘴孔)，则可以提供不同喷嘴流速， 从而使排放高于具有目标喷嘴流速的发动机。因此，仅具有八个喷嘴 孔426的喷嘴402可以至少部分有助于与上述具体活塞顶设计和压缩 比一起减少发动机排放。
图7示出了不同喷嘴设计的两个截面图。其中图示了具有水平轴 212和纵轴210的坐标轴208。截面图取自由垂直轴210和水平轴212 限定的平面中。图7示出了喷嘴420的喷嘴头420的第一示意图702， 喷嘴头420具有小孔(apertures)706(例如，喷嘴孔)。小孔706具 有圆形截面轮廓(例如，面积)。
在替代实施例中，喷嘴小孔可以具有不同截面轮廓，以使小孔是 形状不同的喷嘴孔。例如，喷嘴小孔可以具有非圆形截面轮廓。在一 个实例中，小孔的非圆形截面轮廓可以是狭缝、新月形、星形、椭圆 形、正方形、三角形、矩形或类似形状中的一个。图7示出了喷嘴402 的喷嘴头420的第二示意图，喷嘴头420具有替代截面面积的小孔 708。具体来说，小孔708具有正方形截面轮廓。具有非圆形截面轮 廓的喷嘴小孔因此可以包括具有非圆形截面轮廓(例如，正方形截面 轮廓)的入口开口、出口开口以及端口(类似于上文参照喷嘴孔所述)。 具有非圆形截面轮廓的小孔可以具有与以上图4到图6中所示的喷嘴 类似的几何结构(例如，角度、长度等)和位置。
此外，在一些实施例中，喷嘴可以包括不同截面轮廓的小孔。例 如，喷嘴可以包括多个小孔，其中至少两个小孔具有彼此不同的截面 轮廓。例如，喷嘴中的一个小孔可以具有圆形截面轮廓，而喷嘴中的 第二小孔可以具有新月形截面轮廓。在另一个实例中，喷嘴中的小孔 的一半可以具有圆形截面轮廓，而喷嘴中的小孔的一半可以具有三角 形截面轮廓。
在另一个实施例中，所述小孔可以呈螺旋形。例如，进入喷嘴中 的燃料流可以以一定角度或弧度进入喷嘴，以便向燃料喷射中引入旋 转或漩涡。螺旋形小孔随后可以继续使燃料喷射折曲和打旋。在另一 个实例中，喷嘴小孔可以具有文丘管或德拉伐尔式构造。例如，喷嘴 的一个或多个小孔可以是在中间收缩的圆柱形，从而形成沙漏形。因 此，流过小孔的燃料可以加速流出小孔和喷嘴。在上述实施例中，小 孔数量仍然在六个到十个小孔的范围内。例如，所述喷嘴可以包括截 面轮廓不同的八个小孔。可以基于目标NO_x和微粒物质排放水平的所 需燃料流速选择截面轮廓。
通过这种方式，燃烧系统可以包括中央燃料喷射器以及包括活塞 顶碗(piston crown bowl)的活塞。活塞顶碗和燃料喷射器喷嘴的几何 结构可以影响发动机排放水平。因此，如上所述，可以调整燃烧系统 的部件的大小，以提供排放水平减小的压缩比较小的发动机。因此， 可以减小发动机后处理系统的大小或者完全免除该后处理系统。而这 样可以降低发动机的成本和/或检修要求。
在一个实施例中，一种燃烧系统包括：活塞顶碗，所述活塞顶碗 具有中心顶点；燃烧室，所述燃烧室在约13:1到约17:1范围内的压 缩比下工作，所述燃烧室至少部分由所述活塞顶碗构成；以及燃料喷 射器，所述燃料喷射器具有喷嘴，所述喷嘴延伸到所述燃烧室的中央 部分中，其可操作地将燃料直接喷射到所述燃烧室中，所述喷嘴限定 在6个到10个范围内的多个小孔。
所述活塞顶碗形成于活塞的活塞顶中，所述活塞顶沿所述活塞所 在的气缸的中心轴居中。此外，所述燃料喷射器和活塞顶碗沿中心轴 居中并且活塞顶碗围绕中心轴对称。此外，所述燃料喷射器相对于中 心轴轴向对齐并且设置在气缸的汽缸盖中。
所述小孔围绕中心轴对称设置并且沿燃料喷射器喷嘴的外周设 置。小孔的几何结构和数量在10,000kPa压力下提供从约90cm³/s到 约95cm³/s范围内的喷射器喷嘴流速。在一个实例中，所述喷嘴仅限 定八个小孔。此外，所述燃料喷射器被配置成在以相对于穿过燃料喷 射器中心轴的相对小孔的约135度到约140度喷射角工作时，将燃料 喷射到燃烧室中，所述喷射角至少部分基于小孔的位置和几何结构。
每个小孔具有入口直径和出口直径，并且入口直径与出口直径之 间的标度差(scaled difference)为5。此外，每个小孔包括液压腐蚀 磨圆的圆边，所述磨圆在约25％到约30％的范围内。
所述燃料喷射器还包括密封件，所述密封件被配置成不泄漏在 300,000kPa或以下压力下通过共轨燃料输送系统供应的燃料。
在一个实例中，至少两个小孔具有彼此不同的截面轮廓。在另一 个实例中，至少一个小孔具有非圆形截面轮廓。在另一个实例中，非 圆形截面轮廓小孔中的至少一个小孔的截面轮廓为狭缝、新月形、椭 圆形、星形、三角形或正方形中的一个。
此外，一种发动机可以包括至少部分限定气缸的气缸体、至少部 分设置在所述气缸内的活塞、附接到所述气缸体并且至少部分封闭所 述气缸的汽缸盖以及上述燃烧系统。所述活塞顶碗形成于活塞的活塞 顶中，并且所述燃烧室限定在一个或多个气缸、汽缸盖或活塞顶之间。
在另一个实施例中，一种燃烧系统包括：气缸，所述气缸具有中 心轴；活塞顶，所述活塞顶包括活塞顶碗，所述活塞顶碗具有在中心 轴上居中的中心顶点，所述活塞顶碗形成其体积可提供15:1的压缩比 的燃烧室；以及中央燃料喷射器，所述中央燃料喷射器可操作地将燃 料直接喷射到所述燃烧室中，所述中央燃料喷射器包括八个喷嘴孔并 且沿中心轴轴向设置在气缸的汽缸盖内。
所述活塞顶碗围绕中心轴对称。此外，中心顶点的高度低于活塞 顶的顶面的高度，并且活塞顶碗包括弧形底部，所述弧形底部凹陷到 中心顶点的高度下方并且围绕中心顶点对称设置。所述中心顶点呈凸 面球形，其具有从3mm到5mm范围内的顶点半径，并且弧形底部 呈凹面形状，其具有从16mm到20mm范围内的底部半径。
所述喷嘴孔围绕中心轴对称设置并且沿圆顶形喷嘴的外周设置。 每个喷嘴孔的K因数为5、液压腐蚀磨圆在从28％到29％的范围内， K因数定义为每个喷嘴孔的入口直径与出口直径之间的差，再除以10 微米的换算系数，而液压腐蚀磨圆定义为磨圆前后喷嘴流量增量的百 分比。中央燃料喷射器在约10,000kPa的压力下提供从92到94cm³/s 的喷嘴流速，所述喷嘴流速基于八个喷嘴孔以及喷嘴孔的K因数和液 压腐蚀磨圆。
在另一个实施例中，一种燃烧系统包括：气缸，所述气缸具有中 心轴；活塞，所述活塞包括具有碗的活塞顶，所述碗包括沿中心轴居 中的中心顶点，所述碗形成在15:1压缩比下工作的燃烧室；中央燃料 喷射器，用于将燃料喷射到燃烧时内，所述中央燃料喷射器包括八个 喷嘴孔，沿中心轴轴向对齐并且设置在气缸的气缸盖中；以及不含后 处理系统的排气通道。所述排气通道不包括排气催化剂或特定过滤 器。
八个喷嘴孔中的每个喷嘴孔的K因数为5、液压腐蚀磨圆为 28.5％，其在10,000kPa的压力下提供93.1cm³/s的喷射器喷嘴流速， 所述K因数定义为八个喷嘴孔中的每个喷嘴孔的入口直径与出口直 径之间的标度差。此外，中央燃料喷射器喷嘴的喷射角在从135度到 140度的范围内。
所述系统进一步包括控制器，所述控制器被配置成启动中央燃料 喷射器，以将燃料喷射到燃烧室内，以操作安装有燃烧系统的发动机， 从而在15:1的压缩比下燃烧。
在本说明书中，以单数形式或者与“一个”或“一种”结合使用 的元件或步骤应理解为不排除多个所述元件或步骤，除非对此类排除 情况做出明确说明。此外，对本发明的“一个实施例”的参考并不旨 在解释为排除存在同样包含所述特征的额外实施例。此外，除非明确 指出相反情况，否则“包含”、“包括”或“拥有”具有特定性质的 某个元件或多个元件的实施例可包括不具有所述性质的其他此类元 件。术语“包括(including)”和“其中(in which)”用作对应术语 “包括(comprising)”和“其中(wherein)”的简明语言等效物。 另外，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，并且并不 旨在对它们的对象强加数字要求或特定位置顺序。
本说明书使用实例来揭示本发明，包括最佳模式，并且还使得所 属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统 以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书限定， 并可包含所属领域的普通技术人员想出的其他实例。如果其他此类实 例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包含的 等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应 在权利要求书的范围内。