CN104271916A - 内燃发动机的活塞 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及内燃发动机的活塞(1)。所述活塞(1)可包括具有中心轴线M的活塞裙部(1.1)和在上方界定所述活塞裙部(1.1)的具有直径D的活塞顶(2)。所述活塞顶(2)可由具有宽度b的活塞顶边缘(2.1)和具有深度t的活塞顶凹部(2.2)形成。所述活塞顶凹部(2.2)可包括带有具有直径d的开口截面的活塞凹部壁(2.2a)。具有内径dn的至少一个凹槽(3)可设置在所述活塞顶边缘(2.1)内并相对于所述中心轴线M沿周向U延伸。所述内径dn可比所述直径d大。

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——诸如具有外部碳化合的奥托发动机——的活塞。具体地，本发明涉及一种活塞，所述活塞可包括具有中心轴线M的活塞裙部和在上方界定活塞裙部的具有直径D的活塞顶。所述活塞顶可由具有宽度b的活塞顶边缘和具有深度t的活塞顶凹部形成。此外，所述活塞顶凹部可包括带有具有直径d的开口截面的活塞凹部壁。
本发明还总体涉及活塞在其中被引导的柴油发动机或奥托发动机或奥托气体燃料发动机。具体地，在其中被引导的活塞属于本文描述的类型。所述奥托发动机或奥托气体燃料发动机可以是具有外部或内部碳化合的发动机。
背景技术
由DE 10 2010 018 930 Al获知一种用于内燃发动机的活塞。该活塞包括位于活塞顶内的4个气门凹窝，其确保用于排气门和进气门的间隙。
对于奥托气体燃料发动机，使用具有不同活塞凹部形状的活塞。通常，在以下常见变型之间进行区分：
A)具有屋顶形状的活塞顶的活塞。活塞顶被设计用于具有气体-冲扫的预燃室的燃烧过程，使得点火火花尽可能迟地撞击在燃烧室的壁上。
B)具有槽状活塞顶的活塞。活塞顶被设计成使得维持入口侧产生的紊流。
C)具有Ω形活塞顶凹部的活塞。活塞顶被设计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不变地用于奥托气体燃料发动机。但是，后者却是可能更加不良的燃烧过程。
D)具有罐状活塞顶凹部的活塞。活塞顶被设计成使得在活塞边缘与气缸盖之间存在沿径向的挤流。此外，罐状活塞顶凹部中的旋转流升压。
具有罐状活塞顶凹部的活塞非常适合具有旋转输入通道和室塞的发动机。在压缩行程期间，混合物经由活塞的活塞顶的边缘(挤气边缘)移位到罐状活塞顶凹部中。在膨胀行程期间，混合物从罐状活塞顶凹部被再次吸出。所述过程尤其是在上死点附近引起强挤流。
除挤流外，罐状活塞顶凹部还引起入口侧产生的旋转流的加速。由于角动量的保持，旋转流的角速度在混合物朝罐状活塞顶凹部向内移位的情况下升高。
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
在本发明的一方面，内燃发动机的活塞可包括具有中心轴线M的活塞裙部和在上方界定活塞裙部的具有直径D的活塞顶。所述活塞顶可由具有宽度b的活塞顶边缘和具有深度t的活塞顶凹部形成。所述活塞顶凹部可包括带有具有直径d的开口截面的活塞凹部壁。具有内径dn的至少一个凹槽可设置在所述活塞顶边缘内并相对于中心轴线M沿周向U延伸。内径dn可比活塞顶凹部的开口截面的直径d大。
在本发明的另一方面，柴油发动机或奥托发动机或奥托气体燃料发动机可具有在其中被引导的至少一个活塞。所述活塞可如上所述地设计。
附图说明
本发明的其它优点和特征在说明书中说明并在附图中示出。在附图中：
图1示出活塞的透视图；
图2a-2c示出凹槽的不同的基本形状；
图3示出具有凹部的活塞的剖视图；
图4示出具有多个活塞的发动机。
具体实施方式
图1所示的活塞1由具有中心轴线M和直径D的活塞裙部1.1和在上方界定活塞裙部1.1的具有对应的相同直径D的活塞顶2形成。活塞顶2本身由具有宽度b的活塞顶边缘2.1和相对于活塞1的中心轴线M共轴地设置的活塞顶凹部2.2形成。活塞顶凹部2.2具有开口截面。这大致对应于最大内径dn，因为活塞顶凹部2.2具有几乎圆柱形的形式。活塞凹部2.2具有深度T并在下方由活塞凹部底面5和与该活塞凹部底面5连接的活塞凹部壁4界定。
在活塞顶边缘2.1内设置有具有约2mm的半径R的周向凹槽3。凹槽3具有内径dn，其比活塞凹部2.2的开口截面的直径d大出约15％。凹槽3在到活塞顶边缘2.1的过渡区域内具有半径R1、R2，其中内半径R1的尺寸为约2.5mm且外半径R2的尺寸为约2mm。
根据图2a，设置了两个凹槽3、3'。每个凹槽3、3'都具有圆形的基本形状G、G'，并且如根据图1所示地与凹槽3、3'的对称轴线S相对于中心轴线M共轴地设置。
根据图2b的实施例，凹槽3具有椭圆形/扁圆形/卵形(oval)的基本形状G并且相对于中心轴线M对称地设置。凹槽3的两条对称轴线S、S'由此相对于中心轴线M偏心地设置。
根据图3的实施例，参见该图的左半部分，凹槽3的高度h为活塞凹部2.2的深度T的约12％。此外，凹槽3的径向延伸范围r为活塞顶边缘2.1的宽度b的约20％。
根据图3的实施例，参见该图的右半部分，在活塞顶边缘2.1内设置有两个凹槽3、3'。两个凹槽的相应凹槽3、3'的对称轴线S相对于中心轴线M共轴地设置。
在活塞1内还设置有冷却通路7，其同样相对于中心轴线M共轴地设置。
根据图4，发动机6包括6个上述类型的活塞1、1'。
工业适用性
根据本发明且如本文所述的活塞可被设计成使得可实现改善的燃烧。特别地，挤流的产生和旋转流的增加对燃烧产生积极效果。由于所公开的活塞，可以受控方式将所述定向流转变为紊流。这可以进一步改善燃烧。
在本发明的一个示例性实施例中，内径可满足以下要求：dn>＝1.1d，其比直径d、即开口截面的直径大至少10％。由于具有内径dn的至少一个凹槽——其可以称为紊流凹槽，在活塞顶边缘上方发生的挤流可终止并且可建立紊流部分。燃烧可以通过紊流部分而优化。挤流可在与该挤流垂直的方向上被活塞顶边缘上的一个或多个凹槽中断并转变成紊流。
在本发明又一示例性实施例中，所述至少一个紊流凹槽可以例如靠近活塞顶凹部设置、设置在活塞顶边缘的中心和/或设置于在活塞裙部或气缸壁附近的外径上。后者也可引起点火环区(firing land)死空间容积的减小。这种情况下，凹槽的外径可对应于活塞的直径D。
在本发明另一示例性实施例中，也可以使位于活塞顶边缘内侧的凹槽朝向活塞凹部壁移位，使得内径dn将与活塞凹部的开口截面的直径d一样大。然而，可以此方式实现的效果可与扩大的活塞凹部所获得的效果相同并且或许是可忽略的。
在本发明的又一示例性实施例中，凹槽可在到活塞顶边缘的过渡区域内具有半径R1、R2，其中内半径R1和外半径R2两者的尺寸可介于1mm与5mm之间，优选2mm至3mm。所述半径不会太小，使得边缘不会过热。由于几何形状的不连续性和进而可实现的紊流效果降低，所述半径也不会太大。上述措施可增强燃烧室中的紊流。增强的紊流可在气缸中引起加速的燃烧以及更快和改善的燃烧。这可以提高发动机的效率和爆震裕度。在本发明的该示例性实施例中，活塞顶的直径D可对应于活塞直径。活塞顶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可等于活塞直径D。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d/D可介于0.4与0.6之间。活塞顶凹部的深度t与活塞顶的直径D或活塞直径之比t/D可介于0.15与0.35之间。
在本发明另一示例性实施例中，出于该目的也有利的是，凹槽具有关于中心轴线M的径向延伸范围r，且1mm<＝r<＝0.5b或2mm<＝r<＝0.4b。紊流的效果可取决于凹槽的径向延伸范围r。可假设径向延伸范围r的最小尺寸是约1mm至2mm，使得可实现的紊流效果有效。径向延伸范围r越小，则可在活塞顶边缘上设置越多的凹槽。
此外，在本发明另一示例性实施例中，可以有利的是凹槽关于中心轴线M的轴向方向(即，在中心轴线M的轴向方向上)具有高度h，其中1mm<＝h<＝0.2t或2mm<＝h<＝0.1t。这同样适用于凹槽的高度h。凹槽的高度h不应小于约1mm至2mm的最小尺寸，使得可实现的紊流效果有效。
在本发明的另一示例性实施例中，也可以有利的是设置分布在活塞顶边缘的宽度b上的两个、三个、四个或更多个凹槽。在形成多个凹槽的情况下，可增强紊流效果。参数径向延伸范围r、高度h和数目的哪种组合确保最大紊流效果可取决于相应的燃烧室条件。
此外，在本发明又一示例性实施例中，可有利的是凹槽沿着整个周向U延伸。对称的安装空间条件有时可以是有利的，其中也可设置与对称的偏差。凹槽在周向U上的延伸范围可适合相应的流动条件。凹槽可在整个周向U上延伸，或者可以局部区段的形式设置在周向U的一部分上，在后一种情况下尤其是设置在进气门的区域内。
此外，在本发明又一示例性实施例中，可有利的是凹槽具有相对于中心轴线M共轴或偏心地设置的对称轴线S。对称的安装空间条件有时是有利的，其中也可设置与对称的偏差——例如在对称轴线S、S'相对于中心轴线M偏心地布置的椭圆形活塞凹部的情况中。对于偏心布置，可为进气门和排气门的区域确保不同的流动条件。
在本发明另一示例性实施例中，也可有利的是凹槽具有基本几何形状G，其中基本几何形状G具有圆形或椭圆形/扁圆形/卵形的形式。周向上的不同流动条件可通过即使凹槽相对于中心轴线M对称地布置也与圆形形式有偏差来确保。
在本发明又一示例性实施例中，还可有利的是设置至少两个凹槽，其中所述凹槽可具有相同或不同的基本形状G、G'。不同凹槽几何形状的组合确保了对特定的安装空间和流动条件的最佳适应。

Claims (10)

1.一种内燃发动机的活塞(1)，该活塞包括：
具有中心轴线M的活塞裙部(1.1)；和
在上方界定所述活塞裙部(1.1)的具有直径D的活塞顶(2)，其中所述活塞顶(2)由具有宽度b的活塞顶边缘(2.1)和具有深度t的活塞顶凹部(2.2)形成，所述活塞顶凹部(2.2)包括带有具有直径d的开口截面的活塞凹部壁(2.2a)；
具有内径dn的至少一个凹槽(3)，所述凹槽(3)设置在所述活塞顶边缘(2.1)内并相对于所述中心轴线M沿周向U延伸，其中所述内径dn比所述活塞顶凹部(2.2)的开口截面的直径d大。
2.根据权利要求1所述的活塞(1)，其特征在于，所述凹槽(3)关于于中心轴线M具有径向延伸范围r且1mm<＝r<＝0.5b。
3.根据前述权利要求中任一项所述的活塞(1)，其特征在于，所述凹槽(3)在所述中心轴线M的轴向方向上具有高度h，其中1mm<＝h<＝0.2t。
4.根据前述权利要求中任一项所述的活塞(1)，其特征在于，设置了分布在所述活塞顶边缘(2.1)的宽度b上的两个、三个、四个或更多个凹槽(3，3')。
5.根据前述权利要求中任一项所述的活塞(1)，其特征在于，所述凹槽(3)沿整个周向U延伸。
6.根据前述权利要求中任一项所述的活塞(1)，其特征在于，所述凹槽(3)具有相对于所述中心轴线M共轴或偏心地设置的对称轴线S。
7.根据前述权利要求中任一项所述的活塞(1)，其特征在于，所述凹槽(3)具有圆形形式的基本几何形状(G)。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的活塞(1)，其特征在于，所述凹槽(3)具有椭圆形形式的基本几何形状(G)。
9.根据权利要求7或8所述的活塞(1)，其特征在于，设置了至少两个凹槽(3，3')，其中所述两个凹槽具有相同或不同的基本形状(G，G')。
10.一种柴油发动机(6)或奥托发动机(6)或奥托气体燃料发动机(6)，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)。
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