CN104428507B - 内燃发动机的活塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内燃发动机的活塞(1)，还涉及内燃发动机的发动机缸体(6)。所述活塞和具有中心轴线(6.3，6.4)的至少一个换气门(6.1，6.2)可在所述发动机缸体(6)内被引导。所述活塞(1)可包括具有纵向轴线M的活塞裙部(1.1)、和在顶部界定所述活塞裙部(1.1)的具有直径D的活塞顶(2)。所述活塞顶(2)可由活塞顶边缘(2.1)和活塞顶凹部(2.2)形成，活塞顶凹部包括具有高度H的活塞凹部壁(3)。至少一个气门凹窝(5.1)可被引入所述活塞顶边缘(2.1)中，并且在冷状态下具有到所述换气门(6.1)的最小距离a。所述最小距离a可确保打开的换气门(6.1)的自由移动，其中1mm<a<2mm。至少一个气门凹窝(5.1‑5.4)可至少部分地设计成比打开的换气门(6.1，6.2)的自由运动所需的深度深得多。所述距离a可增大到至少在所述活塞凹部壁(3)的区域内的距离A，其中A>＝a+2mm。

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的活塞。具体地，本发明涉及具有活塞裙部和活塞顶的活塞。所述活塞顶可在顶部界定所述活塞裙部。所述活塞顶可由活塞顶边缘和活塞顶凹部形成，所述活塞顶凹部包括具有高度H的活塞凹部壁。具有相对于所述活塞顶边缘的深度T的至少一个气门凹窝可形成在所述活塞顶边缘中或被引入所述活塞顶边缘中。

本发明还涉及内燃发动机——诸如具有外部混合物(例如，混合气)形成的奥托发动机——的发动机缸体。活塞和至少一个换气门可在所述发动机缸体内被引导。所述活塞可具有活塞裙部和在顶部界定所述活塞裙部的活塞顶。所述活塞顶可由活塞顶边缘和具有活塞凹部壁的活塞顶凹部形成，所述活塞凹部壁具有高度H。在所述活塞顶边缘中可形成至少一个气门凹窝，所述至少一个气门凹窝具有到所述换气门的确保打开的换气门的自由运动的最小距离a。

背景技术

例如，由DE 10 2010 018 930 A1获知一种用于内燃发动机的活塞，该活塞具有位于活塞头内用于确保排气门和进气门的自由运动的4个气门凹窝。

在奥托气体燃料发动机的情况下，使用具有不同的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头的活塞。活塞头被设计用于具有气体-冲扫预燃室的燃烧过程，使得火焰射流尽可能迟地撞击在燃烧室壁上。

B)具有浴罐形活塞头的活塞。活塞头被设计成使得在入口侧产生的滚流被保持。

C)具有Ω形的活塞头凹部的活塞。活塞头被设计用于针对最佳直接喷射的柴油机运转，且由于成本原因和为简单起见还以未修改的状态用于奥托气体燃料发动机中。尽管后者可能具有较差的燃烧结果。

D)具有罐状活塞头凹部的活塞。活塞头被设计成使得在活塞边缘部与气缸盖之间在径向方向上形成挤流。罐状活塞头凹部中的涡流也被强化。

具有罐状活塞头凹部的活塞非常适合具有涡旋进气通路和火花塞的发动机。在压缩循环期间，混合物在活塞的活塞头边缘部(挤气边缘部)上方移位到罐状活塞头凹部中。在膨胀循环期间，混合物再次从罐状活塞头凹部被吸出。这个过程尤其在上死点位置附近引起强挤流。

除挤流外，罐状活塞头凹部还引起在入口侧产生的涡流的加速。由于角动量的保留，当混合物向内移位到罐状活塞头凹部中时涡流的旋转速度增大。

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，和在顶部界定所述活塞裙部的活塞顶。所述活塞顶可具有直径D，并且由活塞顶边缘和活塞顶凹部形成，所述活塞顶凹部包括具有壁高度H的活塞凹部壁。在所述活塞顶边缘中可形成至少一个气门凹窝。所述至少一个气门凹窝可具有相对于所述活塞顶边缘的气门凹窝深度T，其中所述气门凹窝深度T关于所述壁高度H至少在所述活塞凹部壁(3)的区域内可满足以下条件：0.05H<＝T<＝0.5H，特别是例如0.05H<＝T<＝0.2H，或0.1H<＝T<＝0.2H。

在本发明的另一方面，本发明涉及内燃发动机的发动机缸体。所述发动机缸体可包括在该发动机缸体中被引导的活塞。所述活塞可包括具有中心轴线M的活塞裙部和在顶部界定所述活塞裙部的具有直径D的活塞顶。所述活塞顶可由活塞顶边缘和活塞顶凹部形成，所述活塞顶凹部包括具有壁高度H的活塞凹部壁。在所述活塞顶边缘中可形成有至少一个气门凹窝。至少一个换气门可具有中心轴线和到所述活塞顶凹部的用于确保打开的换气门的自由运动的最小距离a。所述至少一个气门凹窝设计成至少部分地比打开的换气门的自由运动所需的深度深得多。所述距离a可增大到至少在所述活塞凹部壁的区域内的距离A，其中A>＝a+2mm。

附图说明

本发明的其它优点和细节在权利要求和说明书中说明且在附图中示出。在附图中：

图1示出活塞的透视图；

图2示出活塞的剖视图；和

图3示出发动机的示意图。

具体实施方式

图1所示的活塞1具有活塞裙部1.1和在顶部界定活塞裙部1.1的活塞顶2。活塞顶2由活塞顶边缘2.1和与中心轴线M共轴地延伸的活塞顶凹部2.2形成。活塞顶凹部2.2具有在底部界定活塞顶凹部2.2的活塞凹部底部4和毗邻活塞凹部底部4的活塞凹部壁3。在活塞顶边缘2.1内设置有周向地分布布置的4个气门凹窝5.1至5.4。

如图2所示，气门凹窝5.1至5.4各自具有一方面相对于中心轴线M倾斜而另一方面相对于气门轴线6.3、6.4倾斜的气门凹窝底部5a-5d。形成在相应的气门凹窝底部5a-5d上的表面法线N与中心轴线M或换气门的相应轴线6.3、6.4成约7度的角β。相应的换气门6.1、6.2到活塞顶2.1或气门凹窝底部5a-5d的距离从距离a开始如图2所示连续地增大到图中右手侧所示的距离A，并且在活塞凹部壁3的区域内或在活塞凹部壁3在相对于中心轴线M的径向上的高度处最大。

以对应的方式，相应气门凹窝5.1在活塞1的边缘区域内的深度T’明显小于在活塞凹部壁3的区域内的深度T。

深度T是活塞顶凹部2.2的高度H的约15％。活塞顶凹部2.2的高度H与活塞顶2的直径D或活塞直径D之比为约0.2。凹部直径d与活塞顶2的直径D之比为约0.5。

根据图2，活塞1还具有位于活塞顶边缘2.1下方的区域内的冷却通路7。

根据图2的活塞1是发动机或发动机缸体6的一部分。

根据图3，上述活塞1、1’中的6个布置在发动机6的内部或未另外示出的气缸体的内部，其中具有对应的换气门6.1’、6.2。

工业适用性

如文中所述的活塞和发动机缸体可用于柴油发动机或奥托发动机或奥托气体燃料发动机中。在奥托发动机或奥托气体燃料发动机的情况下，其可以是具有外部或内部混合物形成的发动机。

根据本发明的活塞可被设计成使得可实现改善的燃烧。

如文中所述，根据本发明一个示例性实施例，至少一个气门凹窝可被设计成至少部分地比打开的换气门的自由运动所需的深度深得多。最小距离a可增大到至少在活塞凹部壁的区域内的距离A，其中A>＝a+2mm，A>＝a+3mm，或A>＝a+4mm，或A>＝a+5mm。由此获得的最小距离A在冷状态下可因此绝对地至少介于4mm与15mm之间，或介于6mm与15mm之间，或介于7mm与15mm之间。后者至少在活塞凹部壁的区域内。

通过加深气门凹窝，在活塞凹部壁的区域内占主导的涡流可被破坏，使得也建立起紊流部分，从而改善燃烧。气门凹窝可被设计成比气门的自由运动实际所需的深度深得多。这些实施例可以低生产成本形成对涡流的急剧破坏。上述措施可增加燃烧室中的紊流。该增加的紊流引起加速燃烧以及气缸中更快和更好的燃尽。结果，可提高发动机的效率并增加其爆震间隔。

如果活塞的实际操作不需要气门凹窝，则当然也可以通过增加气门凹窝来获得根据本发明的效果。这种实施例应该被视为至少包括在权利要求的等同方案的范围内。

在最小距离a增大到至少在活塞凹部壁的区域内的距离A使得获得了期望的紊流输入的情况中，可以不需要为气门凹窝提供对应于气门主体的直径。在活塞顶边缘中在活塞凹部壁的边界区域内的切口可能是足够的。

根据本发明一个示例性实施例，活塞顶凹部的深度H与活塞顶的直径或活塞直径D之比H/D可介于0.15与0.35之间。

为此，也可以有利的是，气门凹窝包括具有表面法线N的气门凹窝底部，其中至少一个气门凹窝的表面法线N以相对于中心轴线M以角β倾斜的方式布置，其中1°<＝β<＝25，或5°<＝β<＝20°，或5°<＝β<＝10°，其中深度T朝向活塞顶凹部增加。因此，如上文已经说明的，气门凹窝可尤其在活塞凹部壁的区域内被设计得略深。对在活塞顶凹部中占主导的涡流的更强影响可与此关联。此外，由于在活塞的边缘区域内减小的深度T，活塞的强度或其构造不会过受到不利影响。此外，可更好地维持在靠近气缸壁的区域内的挤流。

在气门凹窝的设计中，也可以有利的是距离A满足以下条件：0.05H<＝A<＝0.5H，或0.05H<＝A<＝0.2H，或0.1H<＝A<＝0.2H，或a+1m<＝A<＝20mm。整个气门凹窝的进一步加深通常将过度影响活塞的强度或导致与活塞的冷却通路碰撞。如果气门凹窝底部如下所述倾斜，则至少在活塞顶凹部的区域内可能进一步加深。因此，可增强紊流输入。这种情况下，可以有利的是，气门凹窝包括具有表面法线N的气门凹窝底部，其中至少一个气门凹窝的表面法线N以与中心轴线M或对应的换气门的中心轴线成角β倾斜的方式布置，其中1°<＝β<＝25°，或5°<＝β<＝20°，或5°<＝β<＝10°，其中距离A朝向活塞顶凹部增加。

因此，如上所述的气门凹窝可以形成为至少部分地略深，也就是说尤其是在活塞顶凹部壁的区域内略深。气门凹窝底部可以是平的、凹的或凸的设计，或具有上述基本形状的混合形状。表面法线代表气门凹窝底部上的至少一个区域或仅一个点。

通常，在大型发动机的情况下，气门或它们的杆部与活塞轴线平行地取向。这种情况下，如果出于气门自由移动的目的不需要气门凹窝，则其气门凹窝底部与杆部轴线成直角地取向。当然可以不存在使气门凹窝底部倾斜的理由。

在大型发动机的情况中，当使用倾斜或向内成斜坡的气门凹窝底部时，气门与气门凹窝底部之间的距离变化。后者单独为了确保增强的紊流输入。仅在气门凹窝的径向外部区域内才可获得到气门的临界距离。

也可以有利的是，气门凹窝至少在活塞凹部壁的区域内具有深度T，其中深度T关于高度H满足以下条件：0.05H<＝T<＝0.5H，或0.05H<＝T<＝0.2H，或0.1H<＝T<＝0.2H。

活塞凹部壁的区域可位于活塞凹部壁在相对于中心轴线M的径向上的高度处。对在活塞顶凹部中占主导的涡流的增强的紊流影响可与在活塞凹部壁的区域内加深至最大的气门凹窝关联。作为该设计的结果，活塞的强度或其构造不会过度受到不利影响。

活塞凹部壁的区域、也就是说气门凹窝的靠近活塞凹部壁的区域可布置在活塞凹部壁在相对于中心轴线M的径向上的高度处。气门凹窝或气门凹窝底部与对应的换气门之间的最小距离a可取决于发动机的尺寸及其燃烧室构造并且基于经验至少在运转状态下可介于0.5mm与3mm之间。在冷状态下或停机状态下，距离a可以略大。

挤流的形成和涡旋的增强可对燃烧具有积极效果。然而，如果这些定向流可以以有目的的方式转变成紊流则更加有利，因为这将进一步改善燃烧。

Claims (8)

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

在顶部界定所述活塞裙部(1.1)的活塞顶(2)，所述活塞顶(2)具有直径D并且由活塞顶边缘(2.1)和活塞顶凹部(2.2)形成，所述活塞顶凹部包括具有壁高度H的活塞凹部壁(3)，

形成在所述活塞顶边缘(2.1)中的用于进气门和排气门两者的至少两个气门凹窝(5.1-5.4)，所述至少两个气门凹窝(5.1-5.4)具有相对于所述活塞顶边缘(2.1)的气门凹窝深度T，其中所述气门凹窝深度T关于所述壁高度H至少在所述活塞凹部壁(3)的区域内满足以下条件：0.05H<＝T<＝0.5H。

2.根据权利要求1所述的活塞(1)，其特征在于，所述气门凹窝(5.1-5.4)包括具有表面法线N的气门凹窝底部(5a-5d)，至少一个气门凹窝(5.1-5.4)的表面法线N以相对于所述中心轴线M以角β倾斜的方式布置，其中1°<＝β<＝25°，其中所述深度T朝向所述活塞顶凹部(2.2)增大。

3.一种内燃发动机的发动机缸体(6)，该发动机缸体包括：

在所述发动机缸体(6)中被引导的活塞(1)，该活塞包括：

具有中心轴线M的活塞裙部(1.1)；和

在顶部界定所述活塞裙部(1.1)的具有直径D的活塞顶(2)，其中所述活塞顶(2)由活塞顶边缘(2.1)和活塞顶凹部(2.2)形成，所述活塞顶凹部包括具有壁高度H的活塞凹部壁(3)，

形成在所述活塞顶边缘(2.1)中的用于排气门和进气门两者的至少两个气门凹窝(5.1-5.4)；

至少两个换气门(6.1，6.2)，所述至少两个换气门具有中心轴线(6.3，6.4)和到所述活塞顶凹部(2.2)的用于确保打开的换气门(6.1)的自由运动的最小距离a，其中至少一个气门凹窝(5.1-5.4)设计成至少部分地比打开的换气门(6.1，6.2)的自由运动所需的深度深得多，其中所述距离a增大到至少在所述活塞凹部壁(3)的区域内的距离A，其中A>＝a+2mm。

4.根据权利要求3所述的发动机缸体(6)，其特征在于，所述距离A满足以下条件：0.05H<＝A<＝0.5H。

5.根据权利要求3或4所述的发动机缸体(6)，其特征在于，所述气门凹窝(5.1-5.4)包括具有表面法线N的气门凹窝底部(5a-5d)，其中至少一个气门凹窝(5.1-5.4)的表面法线N以相对于所述中心轴线M或所述换气门(6.1，6.2)的中心轴线(6.3，6.4)以角β倾斜的方式布置，其中1°<＝β<＝25°，其中距离A朝向所述活塞顶凹部(2.2)增大。

6.根据权利要求3或4所述的发动机缸体(6)，其特征在于，所述气门凹窝(5.1-5.4)具有至少在所述活塞凹部壁(3)的区域内的深度T，其中所述深度T关于所述高度H满足以下条件：0.05H<＝T<＝0.5H。

7.一种柴油发动机(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权利要求1和2中任一项所述的活塞(1)。

8.一种柴油发动机(6)或奥托发动机(6)或奥托气体燃料发动机(6)，其具有根据权利要求3至6中任一项所述的发动机缸体。