CN103511119A - 活塞 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种活塞。在活塞头顶部形成有空腔的活塞中，抑制应力集中在空腔的侧缘部。内燃机（2）的活塞（1）具有：活塞头顶部（21），其具有凹陷地设有空腔（40）的顶面（27）；一对支撑壁部（22），它们从与活塞头顶部的顶面相反的背面（28）的对角位置垂下；销孔（47），其形成为与各支撑壁部相互同轴，以用于容纳活塞销（61），所述内燃机（2）的活塞（1）的特征在于，各支撑壁部从与顶面的进气口（7）对应的进气侧向与排气口（8）对应的排气侧延伸，空腔从活塞头顶部的进气侧向中央部延伸，在支撑壁部的彼此相对的面（55）的比销孔靠上方的部分且位于空腔的排气侧侧缘的正下方的部分，分别凹陷地设有挖空部（56）。

Description

活塞

技术领域

本发明涉及内燃机的活塞，具体而言，涉及缸内喷射内燃机中使用的、头顶部具有空腔的活塞。

背景技术

存在如下所述的活塞（例如，专利文献1）：在使用燃料喷射装置向汽缸内直接喷射燃料的缸内喷射内燃机（直喷内燃机）中，在活塞头顶部的顶面（冠面）凹陷地设有空腔，向空腔喷射燃料，由此通过活塞的热使燃料气化，并且，通过空腔的边壁来引导可燃混合气的前进方向，将其引导至火花塞附近。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2000－282871号公报

发明内容

在专利文献1的活塞中，由于与活塞头顶部的顶面相反的背面平坦地形成、且在顶面凹陷地设有空腔，所以与活塞头顶部的其它部分相比，形成有空腔的部分的厚度变薄。此外，为了使可燃混合气的前进方向朝火花塞侧变化，空腔的边壁（侧缘部）沿活塞的轴线方向竖起，所以厚度急剧变化。因此，在向活塞头顶部施加燃烧压力时，应力容易集中于厚度的变化大、已变薄的空腔的侧缘内侧部。

本发明是鉴于以上的背景而完成的，其课题是，在活塞头顶部形成有空腔的活塞中，抑制应力集中在朝向空腔的侧缘部。

为了解决上述课题，在本发明中，内燃机（2）的活塞（1）具有：活塞头顶部（21），其具有凹陷地设有空腔（40）的顶面（27）；一对支撑壁部（22），它们彼此相对地从与所述活塞头顶部的所述顶面相反的背面（28）垂下；销孔（47），其形成为与各所述支撑壁部相互同轴，以用于容纳活塞销（61），所述活塞的特征在于，各所述支撑壁部从与所述顶面的进气口（7）对应的进气侧向与排气口（8）对应的排气侧延伸，所述空腔从所述活塞头顶部的进气侧向中央部延伸，在所述支撑壁部的彼此相对的面（55）的比所述销孔靠上方的上方的部分且位于所述空腔的排气侧侧缘的正下方的部分，分别凹陷地设有挖空部（56）。

根据这样的结构，在空腔的排气侧侧缘的正下方的支撑壁设置挖空部，由于降低了支撑壁部的刚性，所以能够缓解应力集中在空腔侧缘内侧的薄壁部。通过在活塞头顶部凹陷地设置空腔，由于其侧缘内侧变薄并且侧缘外侧变厚，所以在侧缘附近，厚度变化较大。因此，当燃烧压力被施加在活塞头顶部时，应力容易集中于空腔侧缘内侧的薄壁部。在本发明中，通过在支撑壁部形成挖空部，有意识地形成厚度较薄的低刚性部，能够使应力在支撑壁分散，从而缓解应力集中在空腔侧缘内侧的薄壁部。此外，通过挖空部，实现活塞的轻量化。

在上述发明中，在沿所述销孔的轴线方向观察到的侧视图中，所述凹部优选从进气侧向排气侧跨过所述空腔的所述排气侧侧缘而延伸。

根据该结构，由于空腔的排气侧侧缘与挖空部在上下方向上重叠，所以应力容易施加于挖空部，从而缓解应力集中在空腔的排气侧侧缘内侧的薄壁部。

在上述发明中，在沿所述销孔的轴线方向观察到的侧视图中，设所述支撑壁部的进气侧以及排气侧的侧缘（51，52）与平行于所述活塞的中心轴线的直线（B）所形成的角度为第1角度（α1，α2），设连接所述凹部的进气侧以及排气侧的端部（58，59）和所述销孔的中心（C）的直线与平行于所述活塞的中心轴线的直线（B）所形成的角度为第2角度（β1，β2），优选使所述第1角度小于所述第2角度。

通过这种结构，支撑壁部的与活塞头顶部联结的联结部的剖面积变小，在燃烧压力被施加到活塞时，应力容易施加到支撑壁部的与活塞头顶部联结的联结部的周缘。因此，应力被分散，缓解了应力集中在空腔侧缘内侧的薄壁部。

根据以上结构，能够在活塞头顶部形成有空腔的活塞中，抑制应力集中在空腔的侧缘部。

附图说明

图1是示出安装有活塞的发动机的剖面图

图2是活塞的剖面立体图

图3是活塞的剖面图

图4是活塞的剖面图

图5是示出在活塞中安装有活塞销以及连杆的状态的剖面图

标号说明

1…活塞，2…发动机，21…活塞头顶部，22…支撑壁部，23…裙部，25…顶板，26…圆筒壁，27…顶面，28…背面，40…空腔，41…底面，43…边壁，43…排气侧边壁（排气侧侧缘），44…进气侧边壁，45…左右边壁，47…销孔，51…进气侧侧缘，52…排气侧侧缘，55…内表面，56…挖空部，58…进气侧端缘，59…排气侧端缘，A…活塞轴线，B…直线，C…活塞销的中心

具体实施方式

以下，参照附图，对将本发明应用于4阀汽油直喷发动机的活塞的实施方式进行详细说明。在以下的说明中，以将活塞1安装在发动机2中的状态为基准来确定各方向。

如图1所示，发动机2具有缸体3以及与缸体3的上端面接合的汽缸盖4。在缸体3中，排列有在缸体3的上端面开口的多个汽缸5。以汽缸5为基准，将汽缸轴线方向定为上下方向，将汽缸列方向定为左右方向。

在汽缸盖4的下端面，凹陷地设有与汽缸5连接的燃烧室凹部6。

燃烧室凹部6形成为大致圆锥面状，2个进气口7和2个排气口8在燃烧室凹部6开口。在燃烧室凹部6中，在与上下方向和左右方向垂直的方向的一侧配置有2个进气口7，在另一侧配置有2个排气口8。设与上下方向和左右方向垂直的方向的一侧为进气侧，设另一侧为排气侧。2个进气口7配置在燃烧室凹部6的进气侧部分相互左右对称的位置，2个排气口8配置在燃烧室凹部6的排气侧部分相互左右对称的位置。在进气口7和排气口8中，设置有作为提升阀的进气门以及排气门（均未图示）。

在燃烧室凹部6的中央部，形成有与汽缸盖4的上表面贯通的火花塞孔11，火花塞12插入到火花塞孔11中。火花塞12以设置在其前端的接地电极13从火花塞孔11向下方突出的方式来配置。在燃烧室凹部6的进气侧部分、即2个进气口7之间的部分，形成有与汽缸盖4的侧表面贯通的喷嘴孔14。燃料喷嘴15插入到喷嘴孔14中。关于燃料喷嘴15，其轴线在从上方观看时与汽缸5的径向一致，并且以从进气侧向排气侧延伸的方式配置在汽缸盖4上。此外，关于燃料喷嘴15，其轴线在从左右方向观看时相对于上下方向倾斜，并且在汽缸5内，以与汽缸5的轴线交差的方式配置在汽缸盖4上。

在汽缸5内，活塞1配置为上下活动自由。如图1～图5所示，活塞1形成左右对称形状，具有：圆板状的活塞头顶部（冠部）21；左右一对的支撑壁部（销毂部）22，它们彼此间隔开并且相对地从活塞头顶部21垂下；一对裙部23，其从活塞头顶部21的周缘部的进气侧部分以及排气侧部分向下方突出。活塞1的中心轴线即活塞轴线A与上下方向一致。

活塞头顶部21具有圆板状的顶板25以及从顶板25的周缘部向下方突出、并且沿周缘部延伸的圆筒壁26。设顶板25的朝向上方的面为顶面（冠面）27，与顶面27相反的朝向下方的面为背面28。在圆筒壁26的外周面，从上开始依次形成有沿周向延伸的第1环状槽31、第2环状槽32以及第3环状槽33。在第3环状槽33的进气侧部分以及排气侧部分，分别形成有多个第1机油孔34，第1机油孔34连通第3环状槽33的底面和圆筒壁26的内周面。分别地，在第1环状槽31以及第2环状槽32中嵌有压环，在第3环状槽33中嵌有机油环。

如图1～图3所示，关于活塞头顶部21的顶面27，其中央部与周缘部相比向上方隆起，并形成与垂直于活塞轴线A的平面平行的面。在活塞头顶部21的顶面27的进气侧部分且在左右方向上的中央部，凹陷地设有从周缘部（进气侧缘）向中央部沿顶面27的径向延伸的空腔40。空腔40具有与垂直于活塞轴线A的平面大致平行的底面41以及在底面41的周围延伸的边壁（侧缘）43～45。空腔40呈大致长方形，在其排气侧以及进气侧配置有与左右方向平行地延伸的排气侧边壁（排气侧侧缘）43以及进气侧边壁44。排气侧边壁43以及进气侧边壁44的左右端部之间通过左右边壁45联结起来。空腔40的进气侧边壁44相对于底面41形成较小的角度，且在活塞头顶部21的上下方向上的厚度变化较小。另一方面，空腔40的排气侧边壁43为了引导从进气口7流入的进气的流动、并将其引导至火花塞12侧，相对于底面41形成较大的角度，且在活塞头顶部21的上下方向上的厚度变化较大。左右边壁45随着从进气侧接近排气侧，相对于底面41的角度渐渐增大。

左右一对的支撑壁部22形成相互对称的形状，分别从顶板25的背面28向下方突出。各支撑壁部22形成为主面朝向左右方向、并在左右方向上具有规定厚度的板状，并被配置为隔着活塞轴线A相互对置。

如图4所示，关于各支撑壁部22的前端部（下端部），其相互相反的面（外表面）形成为大致平行，另一方面，以相互对置的面（内表面）越靠近前端侧越相互离开的方式形成倾斜的倾斜面46。因此，各支撑壁部22的前端部越靠近前端侧厚度越薄。在各支撑壁部22的前端部，形成有在左右方向上贯通的销孔47。销孔47具有圆形的剖面，其轴线在左右方向上延伸。在从沿左右方向的方向观察时，销孔47的轴线配置在靠近活塞轴线A的位置。如图4所示，由于在支撑壁部22的前端部的内表面形成有倾斜面46，所以销孔47的下端部相对于上端部，孔的长度变短。此外，在各销孔47的内端侧部分（活塞1的中心侧部分），形成有直径随着靠近开口端侧而逐渐增大的锥面48。在各销孔47的外端侧部分，凹陷地设有沿周向延伸的环状的环槽49。

如图3所示，各支撑壁部22的进气侧侧缘51以及排气侧侧缘52形成大致直线状。设从沿左右方向的方向观察时各支撑壁部22的进气侧侧缘51与直线B所成角度为支撑壁部22的进气侧开角α1，各支撑壁部22的排气侧侧缘52与直线B所成的角度为支撑壁部22的排气侧开角α2，其中，直线B与活塞轴线A平行并在上下方向上延伸。在本实施方式中，进气侧开角α1和排气侧开角α2被设置为相等，为大致0°。各支撑壁部22的基部54、即活塞头顶部21侧的部分，在进气侧以及排气侧具有规定的曲率和宽度。

如图2～图4所示，在各支撑壁部22的内表面55且位于销孔47的正上方的部分，形成有在左右方向上凹陷地设置的有底的孔（凹部）、即挖空部56。在本实施方式中，挖空部56以与活塞头顶部21的背面间隔开的方式形成在各支撑壁部22上。换言之，构成挖空部56的边界的壁与活塞头顶部21的背面28不连续，与支撑壁部22的内表面55连续。另外，在其它实施方式中，也可以是，在支撑壁部22的内表面55和活塞头顶部21的背面28的边界处形成挖空部56，活塞头顶部21的背面28构成挖空部56的一部分的边界。

如图3所示，在从沿左右方向的方向观察时，挖空部56形成于空腔40的排气侧边壁43的正下方，跨过排气侧边壁43而从进气侧向排气侧延伸。在从沿左右方向的方向观察时，设连接空腔40的进气侧端缘58和销孔47的中心C的直线与直线B所成的角度为进气侧空心角β1，设连接空腔40的排气侧端缘59和销孔47的中心C的直线与直线B所成的角度为排气侧空心角β2，进气侧空心角β1以及排气侧空心角β2分别设定为大于进气侧开角α1以及排气侧开角α2中的任意一个。在本实施方式中，在从沿左右方向的方向观察的情况下，挖空部56形成为以直线B为对称轴对称，进气侧空心角β1和排气侧空心角β2相等。

各裙部23从圆筒壁26的进气侧部分以及排气侧部分向下方突出。各裙部23沿圆筒壁26的下端在周向上延伸，其外表面在圆筒壁26的外周面成为连续的圆周面。在各裙部23的外表面，为了减小与汽缸5的内周面的摩擦阻力，可以形成在表面形成有机油保持孔的树脂覆膜。各裙部23的左端缘和右端缘与支撑壁部22的进气侧侧缘51和排气侧侧缘52结合在一起。由此，通过一对支撑壁部22以及一对裙部23，形成闭环状的横剖面。裙部23形成为比支撑壁部22薄，在裙部23和支撑壁部22的边界，形成由支撑壁部22的进气侧侧缘51以及排气侧侧缘52形成的段部。

如图5所示，圆筒状的活塞销61插入到各销孔47中。活塞销61通过嵌在环槽49中的卡环62而锁定其两端部，从而定位在销孔47中。活塞销61插穿在连杆63的前端部形成的贯通孔即轴承孔64，连杆63被轴支在活塞销61上。连杆63的前端部越靠近前端侧，在左右方向上的宽度越窄。由此，轴承孔64的内表面与连杆63的前端侧对应的部分（前端侧部分）的面积小于与连杆63的基端侧对应的部分（基端侧部分）的面积。即，轴承孔64在前端侧部分，与活塞销61的接触面积小于基端侧部分。

对上述这样结构的活塞1的作用效果进行说明。通常，活塞头顶部21在受到燃烧压力时被弯曲成：周缘部被向下方压低、中央部向上凸出。如果在活塞头顶部21中形成空腔40，则由于设置空腔40的部分的厚度变薄，在设置有空腔40的边壁43～45的部分，厚度急速变厚，所以，受到燃烧压力时的应力容易集中在空腔40的底面41的边壁43～45附近的部分。尤其是，在边壁43～45中，应力容易集中于活塞头顶部的厚度变化最大的、排气侧边壁43附近的底面41。在本实施方式的活塞1中，由于在排气侧边壁43的下方的支撑壁部22形成挖空部56，使厚度局部变薄，所以在燃烧压力被施加到顶面27时，应力被分散。即，通过有意识地在支撑壁部22上形成刚性较低的挖空部56，能够使应力向挖空部56分散，从而抑制应力集中在底面41的排气侧边壁43附近。

此外，通过使支撑壁部22的进气侧开角α1和排气侧开角α2较小，使支撑壁部22和活塞头顶部21的结合部分较小，使得活塞头顶部21的变形的支点成为支撑壁部22的基部54的周缘（支撑壁部22支撑活塞头顶部21的部分的边界），应力容易施加于该部分，从而缓解应力集中在底面41的排气侧边壁43附近。

此外，在活塞1中，由于在销孔47的内端侧设置有锥面48，所以缓解了在施加燃烧压力、销孔47向活塞销61施加载荷时的销孔47的应力集中。在没有锥面48的普通的同等孔径的销孔中，应力集中于销孔的内端侧，在活塞1中，通过内端侧的锥面48使与活塞销61的接触压力下降，缓解了应力集中。

此外，在活塞1中，通过使连杆63的前端侧的宽度变窄，实现了连杆63的轻量化。由于连杆63的前端侧不受到燃烧压力所引起的、来自活塞销61的载荷，所以即使连杆63的宽度变窄，也能够确保足够的刚性。

以上，已说明了具体的实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式，可以广泛地进行变形实施。例如，空腔40的形状可适当变更，挖空部56的形状也可与空腔40的形状相应地变更。此时，挖空部56优选以跨过空腔40的排气侧边壁43的方式来配置。

Claims (3)

1.一种内燃机的活塞，其具有：

活塞头顶部，其具有凹陷地设有空腔的顶面；一对支撑壁部，它们彼此相对地从所述活塞头顶部的与所述顶面相反的背面垂下；销孔，其形成为与各所述支撑壁部相互同轴，以容纳活塞销，所述活塞的特征在于，各所述支撑壁部从与所述顶面的进气口对应的进气侧向与排气口对应的排气侧延伸，所述空腔从所述活塞头顶部的进气侧向中央部延伸，在所述支撑壁部的彼此相对的面的比所述销孔靠上方、且位于所述空腔的排气侧侧缘的正下方的部分，分别凹陷地设有挖空部。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，

在沿所述销孔的轴线方向观察到的侧视图中，所述挖空部从进气侧向排气侧跨过所述空腔的所述排气侧侧缘而延伸。

3.根据权利要求1或者权利要求2所述的活塞，其特征在于，

在沿所述销孔的轴线方向观察到的侧视图中，设所述支撑壁部的进气侧以及排气侧的侧缘与平行于所述活塞的中心轴线的直线所形成的角度为第1角度，设连接所述挖空部的进气侧以及排气侧的端部和所述销孔的中心的直线与平行于所述活塞的中心轴线的直线所形成的角度为第2角度，所述第1角度小于所述第2角度。

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