CN104870773A - 内燃发动机的活塞及设置有这种活塞的内燃发动机 - Google Patents

Abstract

一种内燃发动机的活塞，该活塞包括进气侧凹部和排气侧凹部。在进气侧凹部和排气侧凹部中至少一者的凹部的周缘处，活塞顶表面的位于凹部的限定方向一侧的部分与凹部连接处所在的部分的沿着限定方向的截面的曲率半径小于活塞顶表面的位于凹部的限定方向另一侧的部分与凹部连接处所在的部分的沿着限定方向的截面的曲率半径。

Description

内燃发动机的活塞及设置有这种活塞的内燃发动机

发明背景

1.发明领域

本发明涉及内燃发动机的在燃烧室中产生翻转流的活塞以及设置有该活塞的内燃发动机。

2.相关技术描述

当通过从进气口流入燃烧室中的进气在燃烧室中产生翻转流时，在进气流中产生了湍流。结果，空气燃料混合物的燃烧速度增大，因而使空气燃料混合物稳定地燃烧(例如，参见日本专利申请公报No.2010-53710(JP 2010-53710A))。

发明内容

已知一种如下活塞，在该活塞中，在活塞的顶表面中形成有用于避免与进气门或排气门接触的凹部。在采用这种类型的活塞的内燃发动机中，当由于在燃烧室内产生的翻转流而使空气燃料混合物沿着活塞的顶表面流动时，空气燃料混合物流入该凹部以及流出该凹部会导致翻转流的衰减。

因此，本发明提供了内燃发动机的抑制在燃烧室内产生的翻转流衰减的活塞以及设置有该活塞的内燃发动机。

本发明的一个方面涉及内燃发动机的活塞。该活塞包括用于进气门的进气侧凹部以及用于排气门的排气侧凹部，该进气侧凹部形成在活塞顶表面中，该排气侧凹部形成在活塞顶表面中。当进气侧凹部和排气侧凹部排齐的方向为限定方向时，活塞在燃烧室中产生翻转流，该翻转流产生在活塞顶表面上方从限定方向一侧朝向限定方向另一侧流动的进气流。而且，在进气侧凹部和排气侧凹部中至少一者的凹部的周缘处，活塞顶表面的位于凹部的限定方向一侧的部分与凹部连接处所在的部分的沿着限定方向的截面的曲率半径小于活塞顶表面的位于凹部的限定方向另一侧的部分与凹部连接处所在的部分的沿着限定方向的截面的曲率半径。

上述方面中的活塞可以应用于在燃烧室内产生翻转流的内燃发动机。在这种情况下，已经从限定方向一侧流动至凹部附近的空气燃料混合物将不容易流入凹部中，这是因为该凹部的周缘的一侧部分(即，一侧的部分)的曲率半径小于另一侧部分(即，另一侧的部分)的曲率半径。此外，当空气燃料混合物到达凹部的周缘的另一侧部分而没有流入该凹部中时，空气燃料混合物的流动将能够由另一侧部分平顺地调节成沿着活塞顶表面的形状的流动，这是因为所述另一侧部分的曲率半径大于所述一侧部分的曲率半径。也就是说，空气燃料混合物在限定方向上沿着活塞顶表面从一方向朝向另一方向流动的同时被抑制流入该凹部中，因而能够抑制在燃烧室中产生的翻转流的衰减。

可以对沿限定方向排齐的进气侧凹部和排气侧凹部中的仅一者采用具有如下结构的凹部：在该结构中，周缘的一侧部分的曲率半径小于另一侧部分的曲率半径，然而为了提高翻转流的衰减抑制效果，可以对进气侧凹部和排气侧凹部两者采用具有上述结构的凹部。

此外，进气侧凹部和排气侧凹部中一者的凹部的周缘的一侧部分的曲率半径可以小于进气侧凹部和排气侧凹部中另一者的凹部的周缘的另一侧部分的曲率半径。结果，当空气燃料混合物沿限定方向在所述一者的凹部上方通过时，空气燃料混合物将不容易流入所述一者的凹部中。由此，能够抑制在燃烧室中产生的翻转流的衰减。

此外，进气侧凹部和排气侧凹部中一者的凹部的周缘的另一侧部分的曲率半径可以大于所述另一者的凹部的周缘的一侧部分的曲率半径。结果，当空气燃料混合物沿限定方向在另一者的凹部上方通过时，空气燃料混合物将不容易流入所述另一者的凹部中。因此，能够抑制在燃烧室中产生的翻转流的衰减。

此外，预先假定如下内燃发动机：当用于进气门的形成在活塞顶表面中的进气侧凹部和用于排气门的形成在活塞顶表面中的排气侧凹部排齐的方向为限定方向时，该内燃发动机在燃烧室中产生翻转流，该翻转流产生在活塞顶表面上方从限定方向一侧朝向限定方向另一侧流动的进气流。设置在这种内燃发动机中的活塞可以是上述方面的活塞。以此结构，能够获得与通过上述内燃发动机的活塞所获得的作用效果相似的作用效果。

附图说明

下面将参照附图对本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义进行描述，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1为示意性地示出本发明的一个示例实施方式的截面图；

图2为示意性地示出活塞的顶表面的平面图；

图3A为沿着图2中的线3-3截取的箭头截面图；

图3B为图3A中的一部分的放大图；

图3C为图3A中另一部分的放大图；

图3D为图3A中又一部分的放大图；

图3E为图3A中再一部分的放大图；

图4A为根据比较示例的活塞的一部分的截面图；

图4B为图4A中一部分的放大图；

图4C为图4A中另一部分的放大图；

图4D为图4A中又一部分的放大图；

图4E为图4A中再一部分的放大图；

图5为示出了曲轴转角与翻转比之间的关系的曲线图；以及

图6为示出了曲轴转角与空气燃料混合物的流动中的扰动之间的关系的曲线图。

具体实施方式

在下文中，将参照图1至图6描述在燃烧室内产生翻转流的内燃发动机的一个示例实施方式。如图1中所示，气缸盖13组装至内燃发动机11的气缸体12，并且在该气缸体12的气缸14内设置有以往复的方式朝向气缸盖13以及远离气缸盖13移动的活塞15。此外，在气缸盖13与位于气缸14内的活塞15之间形成有燃烧室16。

在本示例实施方式中，活塞15在气缸14内以往复的方式移动的方向将被称为“驱动方向”。此外，使燃烧室16的体积变得更小的方向上的一侧——即，图1中的上侧——将被称为“驱动方向一侧”，而使燃烧室16的体积变得更大的方向上的一侧——即，图1中的下侧——将被称为“驱动方向另一侧”。

火花塞17在面向气缸14中央的位置附接至气缸盖13。此外，在图1中火花塞17的左侧设置有多个进气口18(在本示例实施方式中是两个)，并且，在图1中火花塞17的右侧设置有与所存在的进气口18(即，在本示例实施方式中是两个)的数目相同的排气口19。在下文中，只要有可能，进气口18和排气口19以及设置为多个的其他部分将以单数提及以简化描述。

进气口18设置成在与绘制图1的纸面正交的方向上排齐。当进气门20打开时，包含至少进气的气体经由进气口18被吸入燃烧室16中。在本示例实施方式中，进气口18形成为使得经由进气口18被吸入燃烧室16中的大部分气体朝向距位于气缸14的内周面上的进气口18最远的排气侧区域流动。结果，在进气行程期间，通过经由进气口18流入燃烧室16中的气体产生了翻转流T。

在本示例实施方式中的翻转流T是气体的旋转流，该气体的旋转流包含从进气口18直接朝向火花塞17附近的区域的气体流，并且翻转流T指示气体沿图1中的顺时针方向流动的旋转流。在本示例实施方式中，设置有两个进气口18，所以，在与绘制图1的纸面正交的方向上产生了两个翻转流T。

与进气口18相似，排气口19也设置成在与绘制图1的纸面正交的方向上排齐。当排气门21在排气行程期间打开时，排气经由排气口19从燃烧室16排放。

在本示例实施方式中，为每个气缸14设置两种类型的喷射阀22和23。喷射阀22和喷射阀23中的一个喷射阀是用于将燃料喷射至进气口18中的通道喷射阀22。另一个喷射阀是用于将燃料喷射至气缸14中的缸内喷射阀23。包含从这些喷射阀22与喷射阀23中的至少一个喷射阀喷射出的燃料的空气燃料混合物由火花塞17燃烧，并且由这种燃烧产生的力致使活塞15以往复的方式移动。

接下来，将参照图2至图4描述活塞顶表面151的形状。图4示出了根据比较示例的活塞15A的一部分的截面形状。如图2中所示，在活塞顶表面151中形成有用于避免与进气门20接触的进气侧凹部31和32以及用于避免与排气门21接触的排气侧凹部33和34。在本示例实施方式中，排气侧凹部33和34中的定位在图2的上侧的排气侧凹部33与进气侧凹部31和32中的定位在图2的上侧的进气侧凹部31排齐的方向、以及定位在图2中的下侧的排气侧凹部34与定位在图2中的下侧的进气侧凹部32排齐的方向都将被称为“限定方向”。

当在燃烧室16中产生翻转流T时，沿图1中顺时针方向流动的气体在顶表面151上从排气侧朝向进气侧流动。此时，气体从排气侧(即，图2中的右侧；限定方向一侧)朝向进气侧(即，图2中的左侧；限定方向另一侧)在排气侧凹部33和34上方通过。然后，已经在排气侧凹部33和34上方通过的气体从排气侧朝向进气侧在进气侧凹部31和32上方通过。

图3A至图3E是当活塞15沿着限定方向剖切时一部分的截面图。如图3A和3B中所示，活塞顶表面151中的排气侧凹部33和34的排气侧(即，图3A中的左侧；限定方向一侧)的部分152呈倾斜状，该倾斜状以朝向驱动方向一侧且更靠近排气侧凹部33和34的方式进一步地延伸。此外，用作排气侧凹部33和34的周缘35的限定方向一侧的部分(在下文中，简称为“一侧部分”)的排气侧部分351的曲率半径是第一曲率半径R1。此外，如图3C所示，用作排气侧凹部33和34的周缘35的限定方向另一侧的部分(在下文中，简称为“另一侧部分”)的进气侧部分352的曲率半径是第二曲率半径R2，该第二曲率半径R2大于排气侧部分351的曲率半径(R1)。

此外，如图3A和3D中所示，活塞顶表面151的进气侧凹部31和32的排气侧的部分153具有倾斜状，该倾斜状以朝向驱动方向一侧且更靠近进气侧凹部31和32的方式进一步地延伸。此外，用作进气侧凹部31和32的周缘36的限定方向一侧的部分(在下文中，简称为“一侧部分”)的排气侧部分361的曲率半径是第三曲率半径R3。此外，该第三曲率半径小于第二曲率半径R2。

此外，如图3E中所示，用作进气侧凹部31和32的周缘36的限定方向另一侧的部分(在下文中，简称为“另一侧部分”)的进气侧部分362的曲率半径是第四曲率半径R4，该第四曲率半径R4大于排气侧部分361的曲率半径(R3)。而且，该第四曲率半径R4大于第一曲率半径R1。

此处，将参照图4描述作为比较示例的根据现有技术的活塞顶表面151A的形状。如图4A至图4E中所示，在比较示例的活塞顶表面151A中的排气侧凹部33A和34A的周缘35A的排气侧部分351A同进气侧部分352A一样具有第十一曲率半径R11。该第十一曲率半径R1大于第一曲率半径R1但小于第二曲率半径R2。换句话说，本示例实施方式的排气侧凹部33和34的周缘35的排气侧部分351的曲率半径(R1)小于比较示例的排气侧凹部33A和34A的周缘35A的排气侧部分351A的曲率半径(R11)。而且，本示例实施方式的排气侧凹部33和34的周缘35的进气侧部分352的曲率半径(R2)大于比较示例的排气侧凹部33A和34A的周缘35A的进气侧部分352A的曲率半径(R11)。

此外，进气侧凹部31A和32A的周缘36A的排气侧部分361A同进气侧部分362A一样具有第十二曲率半径R12。该第十二曲率半径R12大于第三曲率半径R3但小于第四曲率半径R4。换句话说，本示例实施方式的进气侧凹部31和32的周缘36的排气侧部分361的曲率半径(R3)小于比较示例的进气侧凹部31A和32A的周缘36A的排气侧部分361A的曲率半径(R12)。而且，本示例实施方式的进气侧凹部31和32的周缘36的进气侧部分362的曲率半径(R4)大于比较示例的进气侧凹部31A和32A的周缘36A的进气侧部分362A的曲率半径(R12)。

接下来，将参照图5和图6中的曲线图描述本示例实施方式的内燃发动机11的操作。当气体经由进气口18被吸入燃烧室16中时，在燃烧室16内产生了翻转流T。当这个发生时，包含进气和燃料的空气燃料混合物在活塞顶表面151上方从排气侧向进气侧流动。当空气燃料混合物以这种方式在活塞顶表面151上方流动时，空气燃料混合物在排气侧凹部33和34上方通过。

此时，当周缘35A的曲率半径是如上述比较示例中的曲率半径R11时，排气侧部分351A的曲率半径是大的，因而空气燃料混合物被容易地引导至排气侧凹部33A和34A中。因此，大多数空气燃料混合物从排气侧部分351A流入排气侧凹部33A和34A中，并且然后空气燃料混合物经由进气侧部分352A从排气侧凹部33A和34A流出。

从排气侧凹部33A和34A流出的空气燃料混合物沿着活塞顶表面151A流动至进气侧并且到达进气侧凹部31A和32A正前方的位置。即使在此时，当周缘36A的曲率半径是曲率半径R12时，如上述比较示例中一样，排气侧部分361A的曲率半径是大的，因而空气燃料混合物被容易地引导至进气侧凹部31A和32A中。因此，大多数空气燃料混合物从排气侧部分361A流入进气侧凹部31A和32A中，并且然后空气燃料混合物经由进气侧部分362A从进气侧凹部31A和32A流出。

也就是说，当空气燃料混合物在活塞顶表面151A上方从排气侧朝向进气侧流动时，由于空气燃料混合物流入和流出凹部而衰减了其流速——即，翻转流T。

相比之下，在本示例实施方式中，排气侧凹部33和34的周缘35的排气侧部分351的曲率半径是小于第十一曲率半径R11的第一曲率半径R1。因此，当空气燃料混合物从排气侧向进气侧在排气侧凹部33和34上方通过时，空气燃料混合物不容易被引导至排气侧凹部33和34中。因此，大多数空气燃料混合物在排气侧凹部33和34上方通过，而不是流入排气侧凹部33和34中。

此外，当在排气侧凹部33和34上方通过的空气燃料混合物到达位于排气侧凹部33和34的周缘35的进气侧部分352附近的区域时，空气燃料混合物流动的方向由进气侧部分352平顺地改变为沿着活塞顶表面151的方向。这是因为进气侧部分352的曲率半径是比第一曲率半径R1和第十一曲率半径R11两者更大的第二曲率半径R2。

然后，当已经在排气侧凹部33和34上方通过的空气燃料混合气体沿着活塞顶表面151流动至进气侧时，空气燃料混合物到达进气侧凹部31和32正前方的位置。进气侧凹部31和32的周缘36的排气侧部分361的曲率半径是小于第十二曲率半径R12的第三曲率半径R3。因此，当空气燃料混合物从排气侧朝向进气侧在进气侧凹部31和32上方通过时，空气燃料混合物不容易被引导至进气侧凹部31和32中。因此，大多数空气燃料混合物会在进气侧凹部31和32上方通过，而不是流入进气侧凹部31和32中。

此外，当在进气侧凹部31和32上方通过的空气燃料混合物到达位于进气侧凹部31和32的周缘36的进气侧部分362的附近区域时，空气燃料混合物流动的方向由进气侧部分362平顺地改变为沿着活塞顶表面151的方向。这是因为进气侧部分362的曲率半径是比第三曲率半径R3和第十二曲率半径R12两者更大的第四曲率半径R4。

当空气燃料混合物沿着活塞顶表面151流动时的流速的衰减以这种方式被抑制时，指示燃烧行程期间的翻转比和翻转流T中扰动的值被设定为比这种比较示例中的这些值更大的值，如图5和图6中所示。结果，空气燃料混合物的燃烧速度增大，因而空气燃料混合物被稳定地燃烧。

此处的翻转比是在活塞15上下(往复)移动一次时翻转流T旋转的次数。此外，指示扰动的值是指示燃烧室16内的流速的平均值与燃烧室16内预定点处的流速之差的值。翻转流T的扰动随着此差值的增大而增大。

如以上描述的，通过本示例实施方式能够获得下面描述的效果。凹部31至凹部34的周缘35和36的排气侧部分351和361的曲率半径被制得小于进气侧部分352和362的曲率半径。结果，当空气燃料混合物在活塞顶表面151上方从排气侧向进气侧流动时，空气燃料混合物将不容易流入凹部31至凹部34。此外，空气燃料混合物在凹部31至凹部34上方通过的方向由进气侧部分352和362平顺地调节成沿着活塞顶表面151的方向。结果，能够抑制当空气燃料混合物沿着活塞顶表面151流动时流速的衰减，因而能够抑制燃烧室16内的翻转流T的衰减。因此，能够改善内燃发动机11的燃料消耗。

本示例实施方式还可以修改成如下面所描述的另一示例实施方式。只要排气侧凹部33和34的周缘35的排气侧部分351的曲率半径小于进气侧部分352的曲率半径，则进气侧凹部31和32的周缘36的排气侧部分361的曲率半径可以与进气侧部分362的曲率半径相同。

只要进气侧凹部31和32的周缘36的排气侧部分361的曲率半径小于进气侧部分362的曲率半径，则排气侧凹部33和34的周缘35的排气侧部分351的曲率半径可以与进气侧部分352的曲率半径相同。

内燃发动机11还可以产生使得空气燃料混合物在活塞顶表面151上方从进气侧朝向排气侧流动的翻转流。在此情况下，凹部31至凹部34的周缘35和36的进气侧部分352和362对应于限定方向一侧的部分，而排气侧部分351和361对应于限定方向另一侧的部分。而且，进气侧部分352和362的曲率半径可以小于排气侧部分351和361的曲率半径。

Claims (4)

1.一种内燃发动机的活塞，所述活塞包括：

用于进气门的进气侧凹部，所述进气侧凹部形成在活塞顶表面中；以及

用于排气门的排气侧凹部，所述排气侧凹部形成在所述活塞顶表面中，其中，

当所述进气侧凹部和所述排气侧凹部排齐的方向为限定方向时，所述活塞在燃烧室中产生翻转流，所述翻转流产生在所述活塞顶表面上方从限定方向一侧朝向限定方向另一侧流动的进气流；并且

在所述进气侧凹部和所述排气侧凹部中至少一者的凹部的周缘处，所述活塞顶表面的位于所述凹部的限定方向一侧的部分与所述凹部连接处所在的部分的沿着所述限定方向的截面的曲率半径小于所述活塞顶表面的位于所述凹部的限定方向另一侧的部分与所述凹部连接处所在的部分的沿着所述限定方向的截面的曲率半径。

2.根据权利要求1所述的活塞，其中，

在所述进气侧凹部和所述排气侧凹部中两者的凹部的周缘处，所述活塞顶表面的位于所述凹部的限定方向一侧的部分与所述凹部连接处所在的部分的沿着所述限定方向的截面的曲率半径小于所述活塞顶表面的位于所述凹部的限定方向另一侧的部分与所述凹部连接处所在的部分的沿着所述限定方向的截面的曲率半径。

3.根据权利要求1或2所述的活塞，其中，

在所述进气侧凹部和所述排气侧凹部中一者的凹部的周缘处的、所述活塞顶表面的位于所述凹部的限定方向一侧的部分与所述凹部连接处所在的部分的沿着所述限定方向的截面的曲率半径小于在另一者的凹部的周缘处的、所述活塞顶表面的位于所述另一者的凹部的限定方向另一侧的部分与所述另一者的凹部连接处所在的部分的沿着所述限定方向的截面的曲率半径。

4.一种内燃发动机，包括：

根据权利要求1至3中的任一项所述的活塞，其中，

当在所述活塞顶表面中形成的所述进气侧凹部和所述排气侧凹部排齐的方向为限定方向时，所述内燃发动机在所述燃烧室中产生翻转流，所述翻转流产生在所述活塞顶表面上方从限定方向一侧朝向限定方向另一侧流动的进气流。