CN104428508A - 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)和活塞用于具有外部混合物形成的奥托发动机的用途。活塞套筒(1.1)可具有中心轴线M，和在顶部界定所述活塞套筒(1.1)的具有直径D的活塞基部(2)。所述活塞基部(2)可由具有宽度b的活塞基部边沿部(2.1)和具有深度t的活塞碗(2.2)形成。所述活塞碗(2.2)可被设计成罐状碗，并且具有活塞碗基部(3)和毗邻该活塞碗基部的具有最大直径d4的活塞碗壁(4)。所述活塞碗(2.2)可具有开口截面A，该开口截面关于所述中心轴线M对称并具有比所述直径d4小的直径da。藉由减小的直径da，可在所述开口截面A的区域内形成设计成鼻状部的截流边缘部(5)。所述鼻状部(5)可在所述活塞碗壁(4)上沿径向向内突出。

Description

内燃发动机的活塞

技术领域

本发明涉及内燃发动机的活塞，所述活塞包括具有中心轴线M的活塞套筒和在顶部界定所述活塞套筒的具有直径D的活塞基部，其中所述活塞基部由具有宽度b的活塞基部边沿部和具有深度t的活塞碗(活塞凹坑，燃烧室凹坑)形成，其中所述活塞碗形成为罐状碗并具有活塞碗基部和毗邻该活塞碗基部的具有直径d4的活塞碗壁，并且所述活塞碗具有开口截面A，该开口截面关于所述中心轴线M对称并具有比所述直径d4小的直径da，藉由减小的直径da在所述开口截面A的区域内形成了设计成鼻状部的截流边缘部，其中所述鼻状部在所述活塞碗壁上沿径向向内突出。

本发明还涉及活塞的用途，所述活塞具有中心轴线M以及由活塞基部边沿部和活塞碗形成的活塞基部，其中所述活塞碗被设计为罐状碗并具有毗邻活塞碗基部的具有最大直径d4的活塞碗壁。

背景技术

由DE 33 02 427 C2获知一种用于柴油发动机的具有罐状活塞碗的活塞。在位于开口截面与较宽的活塞碗壁之间的过渡区域内设置有锐利边缘部。

还由DE 31 15 933 A1获知一种用于柴油发动机的类似设计，其中套环连板包括边缘部，该边缘部在活塞碗内引起涡流，所述涡流阻挡在壁处上升的燃料。

对于奥托式气体燃料发动机，使用具有各种不同活塞碗形状的活塞。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基部的活塞。活塞基部构造成用于具有气体冲扫的预燃室的燃烧过程，以使火焰射流尽可能迟地撞击燃烧室的壁。

B)具有槽形活塞基部的活塞。活塞基部构造成使得在入口侧产生的滚流被保持。

C)具有Ω形活塞碗的活塞。活塞基部被设计用于针对最佳直接喷射的柴油机运转并且还不变地供奥托式气体燃料发动机使用。但由于成本和简单化的原因，后者极可能具有较差的燃烧过程。

D)具有罐状活塞碗和直的活塞碗壁的活塞。气缸基部构造成使得在活塞边沿部与气缸盖之间在径向方向上出现挤流。此外，圆柱形罐状活塞碗中的扭转流增强。

具有罐状活塞碗的活塞非常适合于具有扭转进气通道和室火花塞的发动机。在压缩行程期间，混合物在活塞的活塞基部边沿部(挤气边缘部)上被压缩到罐状活塞碗中。在膨胀行程期间，混合物再次从罐状活塞碗被吸出。这个过程特别是在上死点附近引起强挤流。

除挤流外，罐状活塞碗还引起在入口侧产生的扭转流的加速。作为维持角动量的结果，当混合物被向内压缩到罐状活塞碗中时扭转流的旋转速度增大。

为了能产生强挤流，活塞基部碗的开口截面A应尽可能小。然而，这个要求引起深碗的形成，由于强度和空间的原因难以实施深碗的形成。

活塞碗可被设计成使得挤流以最大程度的可能转换成紊流。在具有外部混合物(例如，混合气)形成的气体燃料发动机的情况中，这方面的影响因素却是未知的。然而，现有技术中已知的活塞碗的边沿周围的边缘部可能突出得过多。因此，它们特别是在气体燃料发动机会引起提前点火的情况下变得较热。由此可提供截流边缘部的表面的连续路径，其确保截流边缘部的充分冷却。

本发明至少部分针对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的活塞套筒和在顶部界定活塞套筒的具有直径D的活塞基部。所述活塞基部可由具有宽度b的活塞基部边沿部和具有深度t的活塞碗形成。所述活塞碗可被设计为罐状碗，并且可具有活塞碗基部以及毗邻该活塞碗基部的具有直径d4的活塞碗壁。所述活塞碗可具有开口截面A，该开口截面关于所述中心轴线M对称并具有可比所述直径d4小的直径da。藉由减小的直径da，可在开口截面A的区域内形成设计成鼻状部的截流边缘部。所述鼻状部可在所述活塞碗壁4上沿径向向内突出。位于所述活塞基部边沿部与所述截流边缘部之间的过渡部可由半径Ro形成，且所述截流边缘部可在位于所述鼻状部与所述活塞碗壁之间的边界区g内具有半径Ru。在半径Ro与半径Ru之间可设置切向过渡部。

在另一方面，本发明涉及活塞用于例如具有外部混合物形成的奥托发动机的用途。所使用的活塞可包括具有中心轴线M的活塞套筒和在顶部界定所述活塞套筒的具有直径D的活塞基部。所述活塞基部可由具有宽度b的活塞基部边沿部和具有深度t的活塞碗形成。所述活塞碗可被设计为罐状碗，并且可具有活塞碗基部以及毗邻该活塞碗基部的具有直径d4的活塞碗壁。所述活塞碗可包括开口截面A，该开口截面关于所述中心轴线M对称并可具有比所述直径d4小的直径da。并且，藉由减小的直径da，可在所述开口截面A的区域内形成设计成鼻状部的截流边缘部。所述鼻状部可在所述活塞碗壁上沿径向向内突出。

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说明书中说明并在附图中示出。在附图中：

图1示出具有活塞碗的活塞的局部剖视图；

图2示出替代实施例的剖视图；

图3示出发动机缸体的示意图。

具体实施方式

图1所示的活塞1具有活塞套筒1.1和活塞基部2，该活塞基部在顶部界定活塞套筒1.1并具有活塞直径D，其中活塞基部2由活塞基部边沿部2.1和在内侧毗邻该活塞基部边沿部2.1的活塞碗2.2形成。活塞碗2.2和活塞基部边沿部2.1两者都与活塞1的中心轴线M共轴。

活塞碗2.2的深度是t并具有直径为da的开口截面A。活塞碗2.2或活塞碗壁4具有略微扩大的直径d4，从而自开口截面A起形成周向截流边缘部5。

因此，活塞碗2.2由截流边缘部5、与截流边缘部5毗邻的活塞碗壁4以及与活塞碗壁4毗邻的活塞碗基部3形成。

截流边缘部5在到活塞基部边沿部2.1的过渡区域内具有3mm的上半径Ro。朝底部向下，截流边缘部5在位于截流边缘部5与活塞碗壁4之间的边界区g内由约10mm的下半径Ru限定。

活塞碗壁4与中心轴线M成约5度的角α。活塞碗壁4或其直径d4自开口截面A起向下连续增大并在底端具有所述直径d4。

Ro与D之比约为0.02。Ru与D之比约为0.1。da与d4之比约为0.9。

根据图2的实施例，活塞碗壁4的位置为正，即，活塞碗壁4或其直径d4自开口截面A起逐渐缩小。活塞碗壁4与中心轴线M之间的角α也明显较大且为约15度。

通过如上描述的截流边缘部5的设计，使得活塞边沿部2.1的宽度b形成为比在不存在这样的截流边缘部5的情况中(所形成的宽度)略大。这进而证实了随着活塞1在气缸内上下运动在活塞基部边沿部2.1上方的区域与活塞碗2.2之间的略增强的挤流。根据图2的实施例，挤流略微受活塞基部边沿部2.1中的气门凹窝(valve pocket)2.3、2.3'影响。

图3示意性地示出其中包含根据图1和图2的实施例之一的多个活塞1、1'的发动机缸体6。

工业适用性

根据本发明的活塞可设置有针对发动机特别设计的活塞基部，使得可实现改善的燃烧。特别是在奥托发动机或基于奥托循环的气体燃料发动机的情况中，可防止由于截流边缘部过热引起的提前点火以及因提前点火引起的发动机爆震/敲缸。

在本发明的活塞的截流边缘部处发生明显的截流，这可增强燃烧室内的紊流。所述增强的紊流在活塞碗中引起加速燃烧以及更快且更好的燃尽。由此可提高发动机的效率和爆震间隔。实际上，截流边缘部的形成可涉及在活塞基部边沿部具有恒定宽度b的条件下活塞碗具有扩大的直径dm，使得在活塞碗具有恒定容积的条件下可以减小活塞碗的深度t。活塞基部的直径D由此可对应于(例如，等于)活塞直径。活塞直径同样可与活塞碗的开口截面A的直径da加上两倍的活塞基部边沿部的宽度b对应(例如，相等)。

根据本发明的示例性实施例，开口截面A的直径da与活塞基部的直径D或活塞直径之比优选满足以下条件：d/D＝0.4–0.6。

根据本发明另一示例性实施例，活塞碗的深度t与活塞基部的直径D或活塞直径之比优选满足以下条件：t/D＝0.15–0.35。

根据本发明又一示例性实施例，活塞碗可具有开口截面A，该开口截面A关于中心轴线M对称或共轴且具有比直径d4小的直径da，并且藉由该减小的直径da在开口截面A的区域内形成了设计成鼻状部的截流边缘部，其中，对于具有外部混合物形成的奥托发动机而言，所述鼻状部在活塞碗壁上沿径向向内突出。根据现有技术，设置截流边缘部是为了改善被喷射的柴油与燃烧空气的混合。在具有外部混合物形成的气体燃料发动机的情况中，燃料与空气的这种混合可能不再是必要的。因此，如现有技术中针对柴油发动机所描述的截流边缘部对于具有外部混合物形成的气体燃料发动机而言不是必要的。

对于具有外部混合物形成的气体燃料发动机而言，可以同样有利的是使用这样的活塞，即，在活塞基部边沿部与截流边缘部之间由半径Ro形成过渡部，且截流边缘部在位于鼻状部与活塞碗壁之间的边界区g内具有半径Ru，其中，在半径Ro与半径Ru之间形成切向过渡部。

在发动机的情况中以及在使用期间有利的是：活塞碗壁与中心轴线M成角α，其中在活塞碗的深度t的至少50％上(即，在活塞碗的深度t的至少50％的范围内)：

a)对于朝向活塞碗基部加宽的活塞碗而言角α不大于4°至7°，或者

b)对于朝向活塞碗基部3渐缩的活塞碗而言角α不小于13°至17°。活塞碗是罐状的，也就是被设计成具有相对陡的活塞碗壁以使可以实际获得期望的紊流。然而，可受助于平的活塞碗的滚流应当被直接抵消。当然也不需要作为燃料射流喷射方向的结果的活塞碗壁的较平的位置，因为活塞被设计成用于具有外部混合物形成的奥托发动机。

此外，如果半径Ru与直径D之比满足以下条件则可以是有利的：W1<＝Ru/D<＝W2，其中0.04<＝W1<＝0.06或W1＝0.05，0.19<＝W2<＝0.21或W2＝0.2。半径Ru不应该过大，以使出现明显的截流。半径Ru也不应该过小，以使截流边缘部不会变得过热。

也可以有利的是，在活塞碗壁的在半径da下方介于3mm至10mm之间或0.02D与0.05D之间的区域内，直径d4比直径da大M1，其中2mm<＝M1<＝6mm或0.01D<＝M1<＝0.05D。这进而出于引入足量紊流的目的确保了用于流转向的足够大的梯度。

半径Ro与直径D之比满足以下条件对于本发明而言也是重要的，即：W3<＝Ro/D<＝W4，其中0.005<＝W3<＝0.015或W3＝0.01，0.02<＝W4<＝0.04或W4＝0.03。半径Ro应充分帮助在活塞碗与活塞基部边沿部之间改变的挤流。半径Ro不应过大，以使出现明显的截流。半径Ro也不应过小，以使截流边缘部不会变得过热。

结合根据本发明的设计和布置，可以有利的是直径da与直径d4之比满足以下条件：

W5<＝da/d4<＝W6，

其中，0.7<＝W5<＝0.9或W5＝0.8，0.9<＝W6<＝1.0或W6＝0.98。

活塞碗的开口的变窄程度应该足够大，以保证用于流转向的足够大的梯度。

通过具有内部或外部混合物形成的、具有在其中被引导的活塞的奥托发动机的发动机缸体解决了上述问题。通过避免过热的截流边缘部防止了奥托发动机的爆震。

Claims (15)

1.一种内燃发动机的活塞(1)，所述活塞包括：

具有中心轴线M的活塞套筒(1.1)；和

具有直径D的活塞基部(2)，该活塞基部在顶部界定所述活塞套筒(1.1)，

其中，所述活塞基部(2)由具有宽度b的活塞基部边沿部(2.1)和具有深度t的活塞碗(2.2)形成；

其中，所述活塞碗(2.2)被设计为罐状碗，并且具有活塞碗基部(3)以及毗邻该活塞碗基部的具有直径d4的活塞碗壁(4)；所述活塞碗(2.2)具有开口截面A，所述开口截面A关于所述中心轴线对称并且具有比所述直径d4小的直径da；

其中，藉由减小的直径da在所述开口截面A的区域中形成了设计成鼻状部的截流边缘部(5)，其中所述鼻状部(5)在所述活塞碗壁(4)上沿径向向内突出；以及

其中，所述活塞基部边沿部(2.1)与所述截流边缘部(5)之间的过渡部由半径Ro形成，并且所述截流边缘部(5)在位于所述鼻状部(5)与所述活塞碗壁(4)之间的边界区g内具有半径Ru，其中在所述半径Ro与所述半径Ru之间形成切向过渡部。

2.根据权利要求1所述的活塞(1)，其特征在于，所述活塞碗壁(4)与所述中心轴线M成角α，其中在所述活塞碗(2.2)的深度t的至少50％上

a)对于朝向所述活塞碗基部(3)加宽的活塞碗(2.2)而言所述角α不大于4°至7°，或

b)对于朝向所述活塞碗基部(3)渐缩的活塞碗(2.2)而言所述角α不小于13°至17°。

3.根据权利要求1或2所述的活塞(1)，其特征在于，所述半径Ru与所述直径D之比满足以下条件：

W1<＝Ru/D<＝W2，其中0.04<＝W1<＝0.06或W1＝0.05，0.19<＝W2<＝0.21或W2＝0.2。

4.根据前述权利要求中任一项所述的活塞(1)，其特征在于，在所述活塞碗壁(4)的在所述半径da下方介于0.02D与0.05D之间的区域内，所述直径d4比所述直径da大M1，其中0.01D<＝M1<＝0.05D。

5.根据前述权利要求中任一项所述的活塞(1)，其特征在于，所述半径Ro与所述直径D之比满足以下条件：W3<＝Ro/D<＝W4，其中0.005<＝W3<＝0.015或W3＝0.01，0.02<＝W4<＝0.04或W4＝0.03。

6.根据前述权利要求中任一项所述的活塞(1)，其特征在于，所述直径da与所述直径d4之比满足以下条件：

W5<＝da/d4<＝W6，其中0.7<＝W5<＝0.9或W5＝0.8，0.9<＝W6<＝1.0或W6＝0.98。

7.一种具有内部或外部混合物形成的奥托发动机(6)，该奥托发动机具有在该奥托发动机中被引导的根据前述权利要求中任一项所述的活塞(1)。

8.一种活塞(1)用于具有外部混合物形成的奥托发动机(6)的用途，所述活塞包括具有中心轴线M的活塞套筒(1.1)和具有直径D的在顶部界定所述活塞套筒(1.1)的活塞基部(2)，其中所述活塞基部(2)由具有宽度b的活塞基部边沿部(2.1)和具有深度t的活塞碗(2.2)形成，其中所述活塞碗(2.2)被设计成罐状碗并且具有活塞碗基部(3)和毗邻该活塞碗基部的具有直径d4的活塞碗壁(4)，并且所述活塞碗(2.2)具有开口截面A，所述开口截面A关于所述中心轴线M对称并具有比所述直径d4小的直径da，藉由减小的直径da在所述开口截面(A)的区域内形成了设计成鼻状部的截流边缘部(5)，其中所述鼻状部(5)在所述活塞碗壁(4)上沿径向向内突出。

9.根据权利要求8所述的用途，其特征在于，所述活塞基部边沿部(2.1)与所述截流边缘部(5)之间的过渡部由半径Ro形成，并且所述截流边缘部(5)在位于所述鼻状部(5)与所述活塞碗壁(4)之间的边界区g内具有半径Ru，其中在所述半径Ro与所述半径Ru之间形成切向过渡部。

10.根据权利要求8或9所述的用途，其特征在于，所述活塞碗壁(4)与所述中心轴线M成角α，其中在所述活塞碗(2.2)的深度t的至少50％上

c)对于朝向所述活塞碗基部(3)加宽的活塞碗(2.2)而言所述角α不大于4°至7°，或者

d)对于朝向所述活塞碗基部(3)渐缩的活塞碗(2.2)而言所述角α不小于13°至17°。

11.根据权利要求8、9或10所述的用途，其特征在于，所述半径Ru与所述直径D之比满足以下条件：

W1<＝Ru/D<＝W2，其中0.04<＝W1<＝0.06或W1＝0.05，0.19<＝W2<＝0.21或W2＝0.2。

12.根据权利要求8、9或10所述的用途，其特征在于，所述半径Ru与所述直径D之比满足以下条件：W1<＝Ru/D<＝W2，其中0.04<＝W1<＝0.06或W1＝0.05，0.19<＝W2<＝0.21或W2＝0.2。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的用途，其特征在于，在所述活塞碗壁(4)的在所述半径da下方介于0.02D与0.05D之间的区域内，所述直径d4比所述直径da大M1，其中0.01D<＝M1<＝0.05D。

14.根据权利要求8至13中任一项所述的用途，其特征在于，所述半径Ro与所述直径D之比满足以下条件：

W3<＝Ro/D<＝W4，其中0.005<＝W3<＝0.015或W3＝0.01，0.02<＝W4<＝0.04或W4＝0.03。

15.根据权利要求8至14中任一项所述的用途，其特征在于，所述直径da与所述直径d4之比满足以下条件：

W5<＝da/d4<＝W6，其中0.7<＝W5<＝0.9或W5＝0.8，0.9<＝W6<＝1.0或W6＝0.98。