CN104254679B - 内燃发动机的活塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于具有外部混合物形成的火花点火式发动机的内燃发动机的活塞(1)。所述活塞(1)可包括具有中心轴线M的活塞裙部(1.1)和朝顶部限制所述活塞裙部(1.1)的具有直径D的活塞顶(2)。所述活塞顶(2)可由沿着周向U延伸的具有宽度b的活塞顶边缘(2.1)和具有深度t的活塞凹部(2.2)形成。所述活塞凹部(2.2)包括具有基部直径d的活塞凹部壁(2.2a)。在所述活塞凹部壁(2.2a)内可设置有具有高度h的至少一个凹进部分(4.1)。所述高度h在所述中心轴线M的方向上可满足以下要求：0.2t<＝h<＝t。此外，本发明涉及具有这种活塞的发动机。

Description

内燃发动机的活塞

技术领域

本发明总体涉及内燃发动机——诸如具有外部混合物(例如，混合气)形成的火花点火式发动机——的活塞。具体而言，本发明涉及一种活塞，所述活塞包括具有中心轴线M的活塞裙部和朝顶部限制活塞裙部的具有直径D的活塞顶。所述活塞顶可由沿着周向U延伸的具有宽度b的活塞顶边缘和具有深度t的活塞凹部形成。所述活塞凹部可包括具有基部直径d的活塞凹部壁。所述活塞凹部按照其基本形状可通常是圆柱形的。

此外，本发明还涉及具有这种活塞的发动机。

背景技术

由DE 1 029 613 A获知用于自燃式发动机的不同活塞顶形状，所述活塞顶形状通过喷射燃料的最佳进给和混合来实现低噪音燃烧。在这方面，描述了为活塞凹部壁设置轴向平行或螺旋形状的分隔边缘，以使得燃料被引导到在中部占主导的有利涡流中。

在火花点火气体燃料发动机中，采用具有不同活塞凹部形状的活塞。一般而言，区分以下常见的变型：

A)具有屋顶形状的活塞顶的活塞。活塞顶构造成用于使用扫气式预燃室来进行燃烧过程，以使得火焰射流尽可能迟地撞击燃烧室的壁。

B)具有浴盆形状的活塞顶的活塞。活塞顶构造成使得在入口侧产生的滚流被保持。

C)具有Ω形活塞凹部的活塞。活塞顶构造成用于柴油机运转的最佳直接喷射并且还由于成本方面的原因和为简单起见而供火花点火气体燃料发动机使用；但是，后者却具有可能不良的燃烧曲线。

D)具有罐状活塞凹部的活塞。活塞顶构造成使得在活塞边缘与气缸盖之间形成有沿径向的挤气流。此外，罐状活塞凹部中的涡流增强。

对于具有涡旋输入端口和室塞的发动机而言，具有罐状活塞凹部的活塞非常适合。在压缩行程期间，位于活塞的活塞顶边缘(挤气边缘)上方的混合物移位到罐状活塞凹部中。在膨胀行程期间，混合物再次被吸出罐状活塞凹部。该过程特别是在上死点附近可能引起强烈的挤气流。

与挤气流互补地，罐状活塞凹部还可能引起在入口侧产生的涡流的加速。由于旋转脉冲保持，涡流的旋转速度在混合物向内移位到罐状活塞凹部中时升高。

本发明至少部分针对于改善或克服现有技术系统的一个或多个方面。

发明内容

在一方面，本发明涉及用于内燃发动机的活塞。所述活塞可包括具有中心轴线M的活塞裙部和朝顶部限制活塞裙部的具有直径D的活塞顶。所述活塞顶可由沿着周向U延伸的活塞顶和具有深度t的活塞凹部形成。所述活塞凹部可包括具有基部直径d的活塞凹部壁和设置在所述活塞凹部壁内的具有高度h的至少一个凹进部分。所述高度h在所述中心轴线M的方向上可满足以下要求：0.2t<＝h<＝t，特别是0.3t<＝h或0.4t<＝h且h<＝t。

本发明还涉及柴油发动机或火花点火式发动机或火花点火气体燃料发动机，其具有在其中被引导的如上所述类型的活塞。所述火花点火式发动机或火花点火气体燃料发动机可以是具有外部或内部混合物形成的发动机。

本发明的其它特征和方面将从下文的描述和附图而显而易见。

附图说明

本发明的其它优点和细节在专利权利要求和说明书中说明并在附图中示出，在附图中：

图1示出具有凹进部分的活塞的透视图；

图2示出根据图1的活塞的剖视图；和

图3示出发动机的简图。

具体实施方式

图1所示的活塞1包括具有中心轴线M的活塞裙部1.1和朝顶部限制活塞裙部1.1的具有直径D的活塞顶2。活塞顶2由具有宽度b的活塞顶边缘2.1和相对于中心轴线M居中且共轴地布置的活塞凹部2.2。活塞凹部2.2包括活塞凹部基部2.2b和具有基部直径d的大致圆柱形的活塞凹部壁2.2a。

在活塞顶边缘2.1内，设置了4个分布在周向U上的气门凹窝5.1-5.4。在所示活塞1的操作期间，气门凹窝5.1-5.4用于(确保)进气门或排气门的足够的间隙。

此外，在活塞凹部壁2.2a内设置了分布在周向U上的多个凹进部分4.1-4.6。这种情况中，各凹进部分4.1-4.6延伸高度h，该高度h对应于活塞凹部2.2的深度t的约75％。此外，各凹进部分4.1-4.6具有最大宽度B，其相对于周向U形成相应的凹进部分4.1-4.6的约40度的角β的延伸范围。各凹进部分4.1-4.6包括对称轴线S，其与中心轴线M成约22度的角α。因而，获得了凹进部分4.1-4.6的关于中心轴线M的径向延伸范围r，该径向延伸范围随着凹进部分4.1-4.6的高度h变化。径向延伸范围r在活塞顶边缘2.1的区域内最大并沿着高度h渐缩至0。为了能有效地引起紊流，径向延伸范围r的最小尺寸是必要的。一方面由于凹进部分4.1-4.6的部分圆柱形的形状且另一方面由于角α的设定，径向延伸范围r在高度h的超过95％的范围内大于0.5mm。

图2示出剖面II-II的剖视图，所述剖面II-II从凹进部分4.1开始经过中心轴线M朝向凹进部分4.6延伸。由此，出现了根据图2的关于凹进部分4.3、4.4的表示的重叠。由于对称轴线S设置成关于中心轴线M成角α，所以确保了活塞凹部2.2与冷却通路7之间的足够的壁厚度。

根据图1的实施例，在各气门凹窝5.1-5.4的区域内分别设置有用于每个气门凹窝5.1-5.4的两个凹进部分4.1-4.6。在活塞1的上下运动期间形成的进入活塞凹部2.2和离开活塞凹部2.2的挤气流由于气门凹窝5.1-5.4的原因而在这个区域内不论如何都受到一定干扰。通过将相应的凹进部分4.1-4.6特别是设置在相应的气门凹窝5.1-5.4的区域内，不论如何都已经受到影响的挤气流进一步受到影响。与此相比，在活塞顶边缘2.1与活塞凹部2.2之间形成的完整挤气流却保留在气门凹窝5.1-5.4之间的区域内。

由于凹进部分4.1-4.6，所以在活塞凹部2.2内、特别是在活塞凹部壁2.2a的区域内形成的涡流特别是在相应凹进部分4.1-4.6的相应边缘的区域内涡旋，从而一概实现了增强的紊流诱导。

根据图3的实施例，如根据图1和图2所述的活塞1、1'也可以用在发动机内或具有外部混合物形成的火花点火式发动机的发动机缸体6内。

工业适用性

根据本发明，以使得可实现改善的燃烧的方式设计了一种用于内燃发动机的活塞。挤气流的形成和涡流的增强可对燃烧具有积极效果。然而，如果这些定向流可特定地转变成紊流则可能更加积极，因为这将进一步改善燃烧。

根据本发明一个示例性实施例，在活塞凹部壁内设置了从活塞顶边缘开始的具有高度h的至少一个凹进部分，其中高度h关于中心轴线M的方向(即，在中心轴线M的方向上)满足以下要求：0.2t<＝h<＝t。

当活塞凹部壁的基部直径d或活塞凹部壁包括在朝向中心轴线M的径向方向上例如至少2mm深的空腔时可认为存在凹进部分。这意味着，关于朝向中心轴线M的径向方向(即，在朝向中心轴线M的径向方向上)，凹进部分可在活塞凹部壁内形成凹陷。凹进部分优选在活塞凹部壁的上边缘处、也就是在活塞顶边缘上开始并朝向活塞凹部基部向下延伸。由此，活塞顶边缘的宽度b在凹进部分的区域内会对应地减小。由于凹进部分，在活塞凹部中占主导的涡流可至少在活塞凹部壁的区域内破开使得特别是在凹进部分的边缘上形成涡旋，其建立紊流部分。涡旋可藉由高度h发展，使得随着增加的高度h可以形成更多紊流。增强的紊流可在气缸内引起加速燃烧以及更快和更彻底的燃烧。由此，可提高发动机的效率和爆震间隔。

根据本发明一个示例性实施例，活塞顶的直径D可对应于(例如，等于)活塞直径。活塞直径同样可对应于(例如，等于)活塞凹部的开口截面的直径d加上两倍的活塞顶边缘的宽度b。

根据本发明另一示例性实施例，开口截面的直径d或凹部直径与活塞顶的直径D或活塞直径之比优选满足以下要求：d/D＝0.4-0.6。

根据本发明另一示例性实施例，活塞凹部的深度t与活塞顶的直径D或活塞直径之比优选满足以下要求：t/D＝0.15-0.35。

根据本发明又一示例性实施例，也可以有利的是，凹进部分相对于周向U在最大宽度B上延伸角β的范围，其中β<＝180°或3°<＝β<＝90°或5°<＝β<＝45°或10°<＝β<＝40°。由于凹进部分，在活塞凹部中占主导的涡流可在活塞凹部壁的区域内破开，使得涡旋特别是在凹进部分的边缘上发展，其建立紊流部分。涡旋的类型和强度可取决于凹进部分在周向上的延伸范围，因而取决于角β和凹进部分在活塞凹部壁区域内的最大宽度B。如果凹进部分变得太小，则可能降低紊流诱导的效果。如果凹进部分变得太宽，则仅可实现数量非常有限的凹陷。

此外，根据本发明另一示例性实施例，可设置分布在周向U上的多个凹进部分。如上文已经说明的，所述凹进部分可能必须具有一定尺寸使得其引起期望的效果，即，使得在活塞凹部中占主导的涡流有效破开。可分布在周向U上的多个这样的凹进部分可增加这个效果。

根据本发明另一示例性实施例，凹进部分关于中心轴线M可具有超出活塞凹部的基部直径d的径向延伸范围r，其中径向延伸范围r在高度h的至少50％上(即，在高度h的至少50％的范围内)的大小为至少0.5mm至2mm。可被诱导的紊流的程度可部分取决于径向延伸范围的尺寸。径向延伸范围r的最小尺寸是必要的，以便能够有效地诱导紊流。当径向延伸范围r设置在凹进部分的高度h的至少50％上并满足要求0.02<＝r/D<＝0.1时，可获得该最小尺寸。然而，为了建立对紊流诱导的持久效果，该径向延伸范围的尺寸或深度可能必须为至少2mm。

根据本发明另一示例性实施例，凹进部分可包括对称轴线S，其中设定对称轴线S与中心轴线M成角α，其中0°<＝α<＝30°或5°<＝α<＝25°。通过设定朝向中心轴线M的对称轴线S，可实现凹进部分朝向底部渐缩。通过使凹进部分朝向活塞凹部基部渐缩，使得活塞在这个区域内的强度仅受到较低程度的影响。这种情况下，对称轴线S也可以仅涉及凹进部分的大部分。如果对称轴线S例如随着抛物线形的凹进部分连续改变，则应以平均对称轴线S为目标。

根据本发明又一示例性实施例，可在活塞顶边缘中引入至少一个气门凹窝，并且凹进部分可仅仅(完全)或至少部分地设置在至少一个气门凹窝的区域内。在某些条件下，设置有凹进部分的活塞可包括自身在活塞凹部壁内形成具有较低高度h的凹进部分的气门凹窝。如果在气门凹窝的高度处设置相对于周向U的凹进部分，则在气门凹窝之间的区域内的挤气流保持不会受到影响。仅在设置气门凹窝的无论如何哪个位置，即，在挤气流已经受到影响的位置，才将由于凹进部分而进一步减少有利于可产生的紊流的挤气流。

结合根据本发明的形成和布置，可有利地为每个气门凹窝设置一个、两个、三个、四个或更多的凹进部分。凹进部分的数目一方面可取决于它们的尺寸与相应的气门凹窝的尺寸之比。所述数目还可根据由此在任何情况中都可实现的对涡流的影响来确定。

根据本发明另一示例性实施例，凹进部分可对称地分布在周向U上。这里，分布可以是对称的，或者根据相应占主导的流动条件而是不对称的。原则上也设想到气门凹窝在周向上的不规则分布。可有利地仅在一周向区的区域内形成紊流，而在另一周向区域内通过占主导的流动条件提供足够的紊流。在这个区域内，挤气流因此不受紊流凹窝影响。

Claims (7)

1.一种用于内燃发动机的活塞(1)，该活塞包括：

具有中心轴线M的活塞裙部(1.1)；

朝顶部限制所述活塞裙部(1.1)的具有直径D的活塞顶(2)，

其中，所述活塞顶(2)由沿着周向U延伸的活塞顶边缘(2.1)和具有深度t的活塞凹部(2.2)形成，

其中，所述活塞凹部(2.2)包括具有基部直径d的活塞凹部壁(2.2a)和设置在所述活塞凹部壁(2.2a)内的具有高度h的至少一个凹进部分(4.1)，其中所述高度h在所述中心轴线M的方向上满足以下要求：

0.2t<＝h<＝t，

其中，设置了分布在所述周向U上的多个凹进部分(4.1，4.2，4.3)，在所述活塞顶边缘(2.2a)中引入至少一个气门凹窝(5.1)，且所述凹进部分(4.1，4.2)仅设置在所述至少一个气门凹窝的区域内。

2.根据权利要求1所述的活塞(1)，其特征在于，所述凹进部分(4.1)相对于所述周向U延伸角β的范围，其中

β<＝180°or 3°<＝β<＝90°。

3.根据前述权利要求中任一项所述的活塞(1)，其特征在于，所述凹进部分(4.1)相对于所述中心轴线M具有超出所述活塞凹部(2.2)的基部直径d的径向延伸范围r，其中所述径向延伸范围r设置在所述高度h的至少50％上并满足以下要求：

0.02<＝r/D<＝0.1。

4.根据权利要求1所述的活塞(1)，其特征在于，所述凹进部分包括对称轴线(S)，且设定所述对称轴线(S)与所述中心轴线M成角α，

其中0°<＝α<＝30°or 5°<＝α<＝25°。

5.根据权利要求1所述的活塞(1)，其特征在于，为每个气门凹窝(5.1，5.2，5.3)设置一个、两个、三个、四个或更多个凹进部分(4.1，4.2)。

6.根据权利要求1所述的活塞(1)，其特征在于，所述凹进部分对称地布置在所述周向U上。

7.一种柴油发动机或火花点火式发动机，其具有在其中被引导的根据前述权利要求中任一项所述的活塞(1)。