CN1083528C - 用于气缸直接喷射火花点火内燃发动机的活塞 - Google Patents

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Abstract

一种用于安装在汽车上的气缸直接喷射火花点火内燃发动机的活塞(1)。活塞(1)包括一个包括凸出部(P)的活塞头(1a)，该凸出部从一个垂直于所述活塞(1)的中心线(PC)的标准水平平面(2)突出。凸出部(P)带有一个其周边形成一条大体上圆形的山脊线的凹坑(4)，以及一个在所述山脊线(5)外侧形成的并朝着所述活塞头(1a)的周边延伸的倾斜表面(3)。倾斜表面(3)沿从所述山脊线(5)到所述活塞(1)周边的方向连续向下倾斜。倾斜表面(3)相对于所述标准水平平面(HP)形成一个从10°到60°范围的角度(θ1)。凹坑(4)具有一个在从3至9mm范围内的深度(A)，该深度是凹坑(4)的底部表面(4a)与活塞(1)的标准水平平面(HP)之间的轴向距离。此外，凹坑(4)由一个大体上环形的侧壁表面来界定，该侧壁表面在一个包括该活塞的中心线和凹坑(4)的中心线的垂直平面内由第1和第2对峙的曲线段(4b)来表达。第1曲线段(G1)被布置成比第2曲线段更靠近火花塞。第1曲线段(G1)具有从5至20mm范围内的曲率半径。

Description

用于气缸直接喷射火花点火内燃发动机的活塞
1997年6月3日在日本提出的日本专利申请第9-144926号、1997年12月18日在日本提出的日本专利申请第9-348763号、以及1997年12月18日在日本提出的日本专利申请第9-348764号的内容通过引用而包括在本文中。
技术领域
本发明涉及一种气缸直接喷射火花点火内燃发动机中的改进，更确切地说涉及用于该发动机的活塞的活塞头的形状的改进，以便使有效的分层充气(混合气)燃烧和有效的均一充气燃烧彼此相容(兼容)。
背景技术
常规的气缸直接喷射火花点火内燃发动机的活塞带有一个凸出的活塞头，该活塞头被制成带有一个形成燃烧室一部分的凹坑或凹陷，例如像日本专利临时公报第8-312354号中所公开的那样。该凹坑带有一个大体上圆形的周边部，该周边部是尖劈式的，以便形成一个山脊线。该凹坑被制成相对于气缸中心线朝一个进气气门偏移。燃油在压缩行程中从一个燃油喷射阀向该凹坑喷射，以便在火花塞周围集中地形成分层充气的一个富油层，借此实现分层充气燃烧。否则，燃油在进气行程中根据发动机的工况来喷射，以便使燃油在整个燃烧室中扩散。这在燃烧室中形成均一充气，借此实现均一充气燃烧。
然而，以上常规活塞被制成在其活塞头部带有平坦壁表面，该壁表面位于山脊线外侧并在凹坑的右侧和左侧，以便与一个通过各设有活塞的一组气缸的轴线的假想竖直平面相平行地延伸。在每个平坦壁表面的对侧形成倾斜壁表面，以便朝活塞头的周边向下倾斜。平坦壁表面被布置成横穿燃烧室并靠近凸出的活塞头顶部。因此，这些平坦壁表面视为用作位于凹坑内侧与外侧之间的投射壁，由此当在进气行程中在燃油喷射时进行均一充气燃烧时降低燃烧性能。
更具体地说，该投射壁妨碍雾化燃油流在凹坑内侧与外侧之间流动。因此，雾化燃油不可避免地倾向于在凹坑内侧滞留，致使空气燃油混合气局部滞留，从而妨碍均一空气燃油混合气或充气的形成。此外，妨碍雾化燃油的气化，从而使得在燃烧室内空气燃油混合气的均一化不充分。再者，该投射壁使得凹坑的内侧和外侧不连续，因而在凹坑外侧不能得到有效的燃烧，从而降低均一充气燃烧性能。
此外，在目前情况下，从改善均一充气燃烧而同时防止燃烧性能在凹坑的影响下降低的观点来说，倾斜壁表面的倾斜角度之类尚未被设定于最佳范围。
发明的公开
本发明的一个目的在于，提供一种改进了的用于气缸直接喷射火花点火内燃发动机的活塞，该活塞能有效地克服在常规的用于气缸直接喷射火花点火内燃发动机的活塞中所遇到的缺点。
本发明的另一个目的在于，提供一种改进了的用于气缸直接喷射火花点火内燃发动机的活塞，由于在活塞头处形成一个凹坑，该活塞能改善发动机的均一充气燃烧性能而不降低发动机的分层充气燃烧性能。
本发明的又一个目的在于，提供一种改进了的用于气缸直接喷射火花点火内燃发动机的活塞，其中活塞的活塞头形状被优化，以便在发动机的燃烧室中进行相容的均一充气燃烧和分层充气燃烧两者。
本发明的一个方面在于，一种用于气缸直接喷射火花点火内燃发动机的活塞。该活塞包括一个包括凸出部的活塞头，该凸出部从一个垂直于该活塞的中心线的标准水平平面突出。该凸出部带有一个其周边形成一条大体上圆形的山脊线的凹坑，以及一个在该山脊线外侧形成的并朝着该活塞头的周边延伸的倾斜表面。该倾斜表面沿从山脊线到活塞周边的方向连续向下倾斜。该倾斜表面相对于该标准水平平面形成一个从10°到60°范围的角度(θ1)。
本发明的另一个方面在于，一种用于气缸直接喷射火花点火内燃发动机的活塞。该活塞包括一个包括凸出部的活塞头，该凸出部从一个垂直于该活塞的中心线的标准水平平面突出。该凸出部带有一个其周边形成一条大体上圆形的山脊线的凹坑，以及一个在该山脊线外侧形成的并朝着该活塞头的周边延伸的倾斜表面。该倾斜表面沿从山脊线到活塞周边的方向连续向下倾斜。该倾斜表面相对于标准水平平面形成一个从10°到60°范围的角度(θ1)。该凹坑具有一个在从3至9mm范围内的深度(A)，该深度是凹坑的底部表面与活塞的该标准水平平面之间的轴向距离。此外，凹坑由一个大体上环形的侧壁表面来界定，该侧壁表面由在一个包括该活塞的中心线和该凹坑的中心线的竖直平面内的第1和第2对峙的曲线段来表达。第1曲线段被布置成比第2曲线段更靠近火花塞。第1曲线段具有从5至20mm范围内的曲率半径。
本发明的又一方面在于，一种气缸直接喷射火花点火内燃发动机，该内燃发动机包括一个带有一组气缸的气缸体。一个气缸头固定地安装在该气缸体上。进气气门和排气气门可动地设置于该气缸头。设置一个燃油喷射阀，以便把燃油直接喷入对应于每个气缸所形成的燃烧室。这样设置一个火花塞，致使其前端部伸进该燃烧室。一个活塞可动地设置在气缸内，以便在它与气缸头之间界定该燃烧室。该活塞包括一个带有凸出部的活塞头，该凸出部从一个垂直于该活塞的中心线的标准水平平面突出。该凸出部带有一个其周边形成一条大体上圆形的山脊线的凹坑。该凹坑有一条从活塞的中心线朝着进气气门偏移的中心线，以及一个在山脊线外侧形成的并朝着活塞头的周边延伸的倾斜表面。该倾斜表面沿从山脊线到活塞头周边的方向连续向下倾斜。该倾斜表面相对于该标准水平平面形成一个从10°到60°范围的角度。
根据本发明，在活塞头处，在环绕凹坑的山脊线外侧没有形成平坦表面，致使该倾斜表面从顶部朝活塞头的周边部连续向下倾斜。此外，该倾斜表面相对于垂直于活塞中心线的水平平面的倾斜角度被优化在从10°至60°的范围之内。结果，在凹坑的影响下实现有效的分层充气燃烧。此外，在均一充气燃烧期间，可以保证凹坑内侧与外侧之间有效的气流，借此有效地促进空气燃油混合气的均一化，而同时减小活塞的表面面积，以便降低发动机的冷却损失。
附图的简要说明
图1是根据本发明的用于气缸燃油喷射火花点火内燃发动机的活塞的一个实施例的活塞头的透视图；
图2A是图1的活塞的俯视图；
图2B是基本上沿图2A的2B-2B线所截取的箭头方向的局部剖视图；
图2C是基本上沿图2A的2C-2C线所截取的箭头方向的局部剖视图；
图3是表示与图1的活塞有关的燃油喷射阀与火花塞之间的位置关系的局部剖视图；
图4是表示图1的活塞的凸出部的倾斜表面的表面倾斜角度的最佳范围的曲线图；
图5是表示在图1的活塞的凸出部中所形成的凹坑的深度(A)的最佳范围的曲线图；
图6是表示在图1的活塞的凸出部中所形成的凹坑的总深度(B)的最佳范围的曲线图；
图7是表示与图1的活塞有关的总深度(B)对活塞行程(S)之比(B/S)的最佳范围的曲线图；
图8是表示在图1的活塞的凸出部中所形成的凹坑的弯曲侧壁表面的曲率半径(R)的最佳范围的曲线图；
图9是相当于图2B但图示活塞头的详细结构的局部放大剖视图；
图10是类似于图9但表示根据本发明的一个活塞的修改例的局部放大剖视图；
图11是表示与在图9中活塞的凸出部中所形成的凹坑的壁面相对应的直线段(G2)的长度(L)的最佳范围的曲线图；
图12是表示图11中直线段(G2)的倾斜角度(θ2)的最佳范围的曲线图；
图13是类似于图2B但表示根据本发明的另一个活塞的修改例的局部放大剖视图；
图14是类似于图1但表示根据本发明的又一个活塞的修改例的透视图；
图15A是类似于图2A但表示图14的活塞的俯视图；
图15B是类似于图2B但表示图14的活塞的局部剖视图；
图15C是类似于图2C但表示图14的活塞的局部剖视图；
图16A、16B和16C是分别类似于图15A、15B和15C的视图，用来解释与由图14的活塞所界定的燃烧室有关的面积比[(S2/S)×100％]；以及
图17是表示在图16A、16B和16C中所解释的面积比的最佳范围的曲线图。
实现发明的最佳方式
现在参照附图中的图1至图4，根据本发明，一个气缸直接喷射火花点火内燃发动机的活塞的实施例由标号1来图示。该发动机用于例如汽车并且带有一组气缸，虽然未画出，每个气缸设有一个活塞1。活塞1带有一个圆形的活塞头1a，该活塞头带有一个大体上环形的标准平坦表面2，此表面是沿活塞头1a或活塞1的周边形成的。活塞头1a在环形标准平坦表面2内的一部分向外突出而形成一个大体上圆锥形的凸出部P，该凸出部具有大体锥形或倾斜的表面3。凸出部P被制成带有一个大体上圆形的具有盆地状或盘子状的凹坑4。凹坑4有一条中心线CC，该中心线从活塞1的中心线PC朝一个(些)进气气门(未画出)偏移。凹坑4的中心线CC平行于活塞1的中心线PC。凹坑4带有一个大体上圆形的底部平坦表面4a。上述环形标准平坦表面2被包含在一个标准水平平面HP内，中心线PC与该平面相垂直。
因此，一条大体上环形的山脊线5沿凹坑4的周边形成而环绕凹坑4。这里，应该指出，在山脊线5的径向朝外的一侧不形成平坦段。于是，凸出部P的倾斜表面3从山脊线5朝环形标准平坦表面2连续向下倾斜。倾斜表面3基本上形成一个圆锥形表面的一部分。环形标准平坦表面2的一个主要部分具有从1.5至2.0mm范围的小宽度并在活塞1的生产期间被用作一个标准表面。活塞1的凸出部P被制成带有一个和缓的斜坡表面6，如图2B中所示，该表面的坡度比倾斜表面3和缓些。此一和缓的斜坡表面6抑制凸出部P顶部的高度。
这里，将参照图3来讨论凹坑4、燃油喷射阀12和火花塞13之间的位置关系。气缸直接喷射火花点火内燃发动机包括一个气缸头10，该气缸头固定地安装在气缸体15上，该气缸体被制成带有一些气缸C。活塞1可滑动运动地装在每个气缸C中。对应于每个气缸C所形成的燃烧室M，气缸头10被制成带有构成燃烧室一部分的凹腔D。燃油喷射阀12安装于气缸头10并带有一个燃油穿过它而喷射的前端部(未标出)，该前端部在一个包括气缸头10的底部平坦表面10a的水平平面内被从一个(些)进气气门11径向朝外地布置。底部平坦表面10a与气缸体15的顶部平坦表面或气缸体盖板15a相平行。燃油喷射阀适于直接向燃烧室M内喷射燃油。燃油喷射阀12被这样布置，即它的轴线(未画出)指向凹坑4内。火花塞13被这样布置，即它的前端部(设有电极)位于凹坑4的一个环形周边部(未标出)的一部分的上方。火花塞13的轴线13a从气缸C的中心线Xc偏移。一个(些)排气气门14被布置在一个包括气缸C中心线Xc的竖直平面的相对于该(诸)进气气门11的对面一侧。
应该指出，山脊线5的一部分可以被切除，借此形成一个用来防止活塞1的凸出部P与进气气门11或排气气门14相干涉的气门凹槽，以便满足发动机的气门正时和压缩比的要求。
从以上可以明白，根据以上实施例，朝活塞1的周边连续向下倾斜的倾斜表面3被制成在活塞头1a处，在环绕凹坑4的山脊线5的外侧未设有任何平坦表面。因此，借助于凹坑4能有效地完成分层充气燃烧。此外，在凹坑4的内侧与外侧之间能有效地确保气流，借此在均一充气燃烧期间促进空气燃油混合气的均一化。这提供高的均一充气燃烧性能。此外，由于在凸出部P处未形成平坦表面，所以活塞头1a的表面面积减小，借此降低冷却损失，致使可以得到高的均一充气燃烧性能。
这里，上述倾斜表面3相对于水平平面HP形成一个从10°到60°范围的表面倾斜角度θ1，如图2B中所示，该水平平面HP包括在含有活塞1的中心线PC的竖直平面V2上的标准平坦表面2并垂直于竖直平面V1。竖直平面V1通过气缸C的中心线Xc。角度θ1最好是在从15°至45°的范围之内，更可取地是在从10°至30°的范围之内。表面倾斜角度θ1的以上范围取决于图4的曲线图或数据，这些曲线图或数据是在对图1至图3中所示的发动机进行的实验中获得的。在这些实验中，在均一充气燃烧期间发动机的制动转矩和在分层充气燃烧期间的燃油消耗量是在改变倾斜表面3的表面倾斜角度θ1时测得的。在图4中，曲线C1表示在均一充气燃烧期间发动机的制动转矩的数据，而曲线C2表示在分层充气燃烧期间发动机的燃油消耗量的数据。图4的曲线图表明以下事实，即在均一充气燃烧期间的制动转矩和在分层充气期间的燃油消耗量，在由双头箭头所指明的范围内是彼此相容(兼容)的，该范围被选成表面倾斜角度θ1的以上范围。应该指出，最好是把表面倾斜角度θ1设定得尽可能小些，以便得到相同的燃烧性能，因为活塞1的活塞压缩高度(或活塞的最上部与活塞销轴线之间的轴向距离)随表面倾斜角度θ1的加大而加大。此外，考虑到下文述及的凹坑4的深度之类，表面倾斜角度θ1被设定在以上范围之内。
凹坑4具有从3至9mm范围内的深度A。如图2B中所示，深度A是凹坑4的底部平坦表面4a与包括标准平坦表面2的标准水平平面HP之间的轴向距离。深度A的以上范围取决于图5的曲线图或数据，这些曲线图或数据是在对图1至图3中所示的发动机进行的实验中获得的。在这些实验中，在均一充气燃烧期间发动机的制动转矩和在分层充气燃烧期间的燃油消耗量是在改变凹坑4的深度A时测得的。在图5中，曲线C3表示在均一充气燃烧期间发动机的制动转矩的数据，而曲线C4表示在分层充气燃烧期间发动机的燃油消耗量的数据。图5的曲线图表明以下事实，即在均一充气燃烧期间的制动转矩和在分层充气期间的燃油消耗量，在由双头箭头所指明的范围内是彼此相容的，该范围被选成深度A的以上范围(3至9mm)。
换句话说，随着凹坑4的深度A加大，用来把燃油保持在凹坑4内的特性改善，以便促进分层充气(空气燃油混合气)的形成，从而改善分层充气燃烧性能；然而，由于凹坑4内侧与外侧空间之间的不连续性，均一充气(空气燃油混合气)变成难以在整个燃烧室中形成。因此，深度A被选择在这样的范围之内，其中分层充气的形成和均一充气的形成是彼此相容(兼容)的。
借助于在以上范围之内的凹坑4的深度A，活塞头1a的不均匀性被抑制成需要的最小值，借此在均一充气燃烧期间取得以下效果：(a)可以防止燃油在凹坑内滞留。(b)可以防止减弱气缸内的气流。(c)可以防止由凹坑内侧与外侧之间的不连续性引起的燃烧降低。(d)由于活塞表面面积减小可以降低冷却损失。当然，在凹坑的影响下可以维持高的分层充气燃烧性能。
总深度(B＝A+H)或凹坑4的深度A与凸出部P的高度H之和被设定在从10至20mm的范围内。凸出部P的高度H是山脊线5的最上部与包括标准平坦表面2的标准水平平面HP之间的轴向距离。总深度B的以上范围取决于图6的曲线图或数据，这些曲线图或数据是在对图1至图3中所示的发动机进行的实验中获得的。在这些实验中，在均一充气燃烧期间发动机的制动转矩和在分层充气燃烧期间的燃油消耗量是在改变总深度B时测得的。在图6中，曲线C5表示在均一充气燃烧期间发动机的制动转矩的数据，而曲线C6表示在分层充气燃烧期间发动机的燃油消耗量的数据。图5的曲线图表明以下事实，即在均一充气燃烧期间的制动转矩和在分层充气期间的燃油消耗量，在由双头箭头所指明的范围内是彼此相容的，该范围被选成总深度B的以上范围(10至20mm)。
换句话说，随着总深度B加大，用来把燃油保持在凹坑4内的特性被改善，以便促进分层充气(空气燃油混合气)的形成，从而改善分层充气燃烧性能；然而，由于凹坑4内侧与外侧空间之间的不连续性，均一充气(空气燃油混合气)变成难以在整个燃烧室中形成。因此，总深度B被选择在范围(10至20mm)之内，其中分层充气的形成和均一充气的形成是彼此相容的。
借助于在以上范围之内的总深度B，活塞头1a的不均匀性被抑制成需要的最小值，借此在均一充气燃烧期间取得以上效果。此外，活塞压缩高度被减至最小，借此实现减轻活塞的重量并改善由活塞敲缸引起的发动机噪声性能。
高度H对深度A之比(H/A)被设定在从1.0至2.0的范围内。从图5和图6的曲线图可以看出，在此一范围之内，在均一充气燃烧期间的制动转矩和在分层充气燃烧期间的燃油消耗量是彼此相容的。
总深度B对活塞行程S之比(B/S)被设定在不大于0.25的范围内。如图3中所示，活塞行程S是每个活塞的活塞移动的长度。比值(B/S)的以上范围取决于图7的曲线图或数据，这些曲线图或数据是在对图1至图3中所示的发动机进行的实验中获得的。在这些实验中，在均一充气燃烧期间发动机的制动转矩和在分层充气燃烧期间的燃油消耗量是在改变比值(B/S)时测得的。在图7中，曲线C7表示在均一充气燃烧期间发动机的制动转矩的数据，而曲线C8表示在分层充气燃烧期间发动机的燃油消耗量的数据。图7的曲线图表明以下事实，即在均一充气燃烧期间的制动转矩和在分层充气期间的燃油消耗量，在由箭头所指明的范围内是彼此相容的，该范围被选成比值(H/A)的以上范围(B/S≤0.25)。
换句话说，如果在活塞行程S较小的场合总深度B较大，则发动机的燃烧性能降低。在这方面，最好是通过根据活塞行程S减小总深度B来保证良好的燃烧性能。
本实施例中凹坑4造型如下：如图2A和图2B中所示，凹坑4的主要(大)部分P1位于包括气缸体15中的诸气缸的轴线Xc的竖直平面V1的第1侧S1。凹坑4的小部分P2位于竖直平面V1的第2侧S2，该第2侧S2相对于竖直平面V1与第1侧S1对峙。应该指出，燃油喷射阀12的前端部被布置在第1侧以便靠近凹坑4的主要部分P1，而同时火花塞13的前端部被布置在第2侧S2以便靠近凹坑4的小部分P2。在图2B中清楚地看到，小部分P2在深度上比主要部分P1大。一个界定凹坑4的大体上环形的侧壁表面(未标号)包括一个弯曲表面4b，该弯曲表面界定凹坑4的小部分P2并且经由山脊线5邻接和缓的坡度表面6并与之连接。如图2B中所示，弯曲表面4b在垂直平面V2内具有在从5至20mm范围内的曲率半径R，该垂直平面包括轴线PC并垂直于垂直平面V1。
曲率半径R的以上范围取决于图8的曲线图或数据，这些曲线图或数据是在对图1至图3中所示的发动机进行的实验中获得的。在这些实验中，在均一充气燃烧期间发动机的制动转矩和在分层充气燃烧期间的燃油消耗量是在改变凹坑4的曲率半径R时测得的。在图8中，曲线C9表示在均一充气燃烧期间发动机的制动转矩的数据，而曲线C10表示在分层充气燃烧期间发动机的燃油消耗量的数据。图8的曲线图表明以下事实，即在均一充气燃烧期间的制动转矩和在分层充气燃烧期间的燃油消耗量，在由双头箭头所指明的范围内是彼此相容的，该范围被选成曲率半径R的以上范围(5至20mm)。
借助于此一曲率半径R，在分层充气燃烧期间分层的空气燃油混合气可以被顺利地带到火花塞13附近，而同时空气燃油混合气可以在凹坑4的内侧和外侧顺利地流动。如果曲率半径R小于5mm，则不能获得曲率半径R的功能。如果曲率半径R超过20mm，则不能有效地实现分层的空气燃油混合气向火花塞13的输送。
接着，将参照图9详细讨论本实施例的凹坑4的形状，该图是图2B的放大细节因而是图2A中垂直平面V2内的剖视图。弯曲表面4b由垂直平面V2内的曲线段G1来表达。线段G1是一个具有半径R的圆的一部分(1/4)。曲线段G1的上端(邻近和缓的斜坡表面6)与和缓的斜坡表面6分开。一个直线段G2从曲线段G1的上端延伸并达到和缓的斜坡表面6以形成山脊线5。直线段G2相当于与弯曲表面4b连接以界定凹坑4的一部分的上壁表面4c的横截面。直线段G2具有在从0至10mm范围内的长度。否则，弯曲表面4b可以结合曲率半径R如图10中所示地配置，在该图中直线段G2的长度L取负值。因此，直线段G2的长度L被设定在从-2至10mm的范围内。
长度L的此一范围取决于图11的曲线图或数据，这些曲线图或数据是在对图1至图3和图9和图10中所示的发动机进行的实验中获得的。在这些实验中，在均一充气燃烧期间发动机的制动转矩和在分层充气燃烧期间的燃油消耗量是在改变与壁表面4c相对应的直线段G2的长度L时测得的。在图11中，曲线C11表示在均一充气燃烧期间发动机的制动转矩的数据，而曲线C12表示在分层充气燃烧期间发动机的燃油消耗量的数据。图11的曲线图表明以下事实，即在均一充气燃烧期间的制动转矩和在分层充气燃烧期间的燃油消耗量，在由双头箭头所指明的范围内是彼此相容的，该范围被选成与壁表面4c相对应的直线段G2的长度L的以上范围(-2至10mm)。
此外，如图9中所示，直线段G2相对于竖直直线SL倾斜以便形成一个倾斜角度θ2。竖直直线SL在垂直平面V2内与活塞1的中心线PC相平行。直线段G2沿朝着和缓的斜坡表面6的方向逐渐离开中心线PC。倾斜角度θ2在从0°至15°范围内。倾斜角度θ2的此一范围取决于图12的曲线图或数据，这些曲线图或数据是在对图1至图3和图9中所示的发动机进行的实验中获得的。在这些实验中，在均一充气燃烧期间发动机的制动转矩和在分层充气燃烧期间的燃油消耗量是在改变直线段G2的倾斜角度θ2时测得的。在图12中，曲线C13表示在均一充气燃烧期间发动机的制动转矩的数据，而曲线C14表示在分层充气燃烧期间发动机的燃油消耗量的数据。图12的曲线图表明以下事实，即在均一充气燃烧期间的制动转矩和在分层充气燃烧期间的燃油消耗量，在由双头箭头所指明的范围内是彼此相容的，该范围被选成与直线段G2相对应的倾斜角度θ2的以上范围(0°至15°)。应该指出，由于倾斜角度θ2不取负值，所以在生产活塞1期间可以促进凹坑4的形成。
在图10的构形的情况下，其中直线段G2的长度L取负值，曲线段G1的上端处于和缓的斜坡表面6的上侧，致使在图2中所示的垂直平面V2内，在垂直直线SL与曲线段G1在曲线段G1穿越和缓的斜坡表面6的点处的切线TL之间形成一个类似于θ2的倾斜角度θ2’。倾斜角度θ2’被设定在从0°至15°的范围内。此一范围取决于与图12的数据相同的实验数据。因此，在均一充气燃烧期间的制动转矩和在分层充气燃烧期间的燃油消耗量，在曲线段G1的切线TL的倾斜角度θ2’的以上范围(0°至15°)内是彼此相容的。应该指出，由于倾斜角度θ2’在此一场合也不取负值，所以在生产活塞1期间可以促进凹坑4的形成。
图13图示活塞1的一个修改例，该修改例类似于图1至图3中所示的活塞，只是没有在活塞头1a上沿活塞1的周边形成环形标准平坦表面(2)。在此一例子中，凹坑4的深度A和凸出部P的高度H相对于包含周边线的标准水平平面HP来测量，凸出部P的表面与圆柱形侧壁表面1a在该周边线处彼此相连接。水平平面HP’垂直于活塞1的中心线PC。应该指出，在此一修改例中，可以得到与图1至图3的实施例中的那些效果同样的效果。
图14和图15A至图15C图示另一个修改例，该修改例类似于图1至图3中所示的实施例，只是凸出部P被制成带有气门凹槽7、7。形成气门凹槽7、7以防止进气气门11、11与活塞1的凸出部P相干涉。每个气门凹槽7是通过切除一部分山脊线5而形成的。应该指出，在此一场合对发动机的每个气缸设置两个进气气门11、11。
这样形成的气门凹槽7、7不仅作为气门凹槽的一般效果能满足气门正时和/或压缩比的要求，而且由于气门凹槽7、7是通过切除一部分山脊线5而形成的，所以与常规场合相比能把气门凹槽的尺寸减至最小，以便抑制活塞表面面积的加大，在常规场合，气门凹槽是通过切除活塞头中的平坦部分而形成的。于是，根据此一例子，由气门凹槽引起的燃烧室体积的改变可以被抑制到很小值，而同时却促进发动机的压缩比调整。
这里，参照图16A至图16C，假定气缸C具有投影面积S，该投影面积是通过把气缸C的气缸内孔圆投影到一个投影平面内得到的，如图16C中所示，该平面相当于一个垂直于气缸C中心线Xc的水平平面。此外，假定图16C中画阴影线的截面在通过气缸体15中的气缸C中心轴线Xc的垂直平面V1内具有面积S2。该画阴影线的截面被界定于气缸头10的表面与处于上死点的活塞1的活塞头1a的表面之间，并且在一个假想圆柱面IC的径向朝外一侧处被界定。假想圆柱面IC从山脊线5延伸到气缸头10的表面，并有与活塞1的中心轴线PC相平行的轴线。这里，面积比[(S2/S)×100％]处在不小于30％的范围之内。
面积比的此一范围取决于图17的曲线图或数据，这些曲线图或数据是在对图14、图15A至15C和图16A至16C中所示的发动机进行的实验中获得的。在这些实验中，在均一充气燃烧期间发动机的制动转矩是在改变发动机的该面积比时测得的。在图17中，曲线表示在均一充气燃烧期间发动机的制动转矩的数据。图17的曲线图表明以下事实，即在均一充气燃烧期间的制动转矩随着该面积比加大而加大，其中最好是该面积比不小于30％以便维持在均一充气燃烧期间大的制动转矩。此一面积比的上限是根据均一充气燃烧性能与分层充气燃烧性能之间的平衡来确定的，其中如果该面积比加大到50％以上则不能改善均一充气燃烧，所以该面积比的上限约为50％。
虽然已经结合根据本发明的活塞的该修改例展示并描述了以上面积比[(S2/S)×100％]，但是应该指出，该面积比的构思可以用于带有如图1至图3、图9、图10和图13中所示的其他活塞的发动机。
虽然仅展示并描述了带有朝燃油喷射阀12偏心形成的圆形凹坑4的活塞，但是应该指出，用带有大体上同轴的圆形凹坑(4)的活塞，其中凹坑4的中心轴线被布置成与发动机气缸的中心轴线大体上对正，也能得到与用偏心圆形凹坑活塞取得的那些效果相同的效果。

Claims (17)

1.一种用于气缸直接喷射火花点火内燃发动机的活塞，该活塞包括：
一个包括凸出部的活塞头，该凸出部从一个垂直于所述活塞的中心轴线的标准水平平面突出，所述凸出部带有一个其周边形成一条大体上圆形的山脊线的凹坑，以及一个在所述山脊线外侧形成的并朝着所述活塞头的周边延伸的倾斜表面，所述倾斜表面沿从所述山脊线到所述活塞头周边的方向连续向下倾斜，所述倾斜表面相对于所述标准水平平面形成一个从10°到60°范围的角度(θ1)。
2.根据权利要求1中所述的一种活塞，其特征是，所述倾斜表面形成一个圆锥表面的一部分。
3.根据权利要求1中所述的一种活塞，其特征是，所述凹坑具有一个在从3至9mm范围内的深度(A)，所述深度是所述凹坑的底部表面与所述活塞的所述标准水平平面之间的轴向距离。
4.根据权利要求3中所述的一种活塞，其特征是，所述深度(A)和所述凸出部的高度(H)的总值(B)处于从10至20mm的范围之内，所述凸出部的所述高度是所述标准水平平面与所述山脊线最上部之间的轴向距离。
5.根据权利要求4中所述的一种活塞，其特征是，所述高度(H)对所述深度(A)的比值(H/A)处于从1.0至2.0的范围之内。
6.根据权利要求4中所述的一种活塞，其特征是，总值(B)对活塞行程(S)的比值(B/S)处于不大于0.25的范围之内，所述总值是所述凹坑的深度(A)和所述凸出部的高度(H)的总计，所述深度是所述凹坑的底部表面与所述活塞的所述标准水平平面之间的轴向距离，所述凸出部的所述高度是所述标准水平平面与所述山脊线最上部之间的轴向距离。
7.根据权利要求1中所述的一种活塞，其特征是，所述凹坑由一个大体上环形的侧壁表面来界定，所述侧壁表面在一个包括所述活塞的中心轴线和所述凹坑的中心轴线的垂直平面内由第1和第2对峙的曲线段来表达，所述第1曲线段被布置成比所述第2曲线段更靠近火花塞，所述第1曲线段具有从5至20mm范围内的曲率半径。
8.根据权利要求1中所述的一种活塞，其特征是，所述凸出部带有一个位于所述山脊线外侧的和缓的斜坡表面，所述和缓的斜坡表面与所述倾斜表面连接并相对于所述标准水平平面形成第2角度，所述第2角度小于所述第1角度。
9.根据权利要求7中所述的一种活塞，其特征是，所述第1曲线段有一个邻近并离开所述凸出部的一个表面的末端，其中所述凹坑由一个与所述侧壁表面连接的上壁表面来界定，所述上壁表面被表达成在所述垂直平面内的一个直线段，所述直线段在所述垂直平面内处于所述曲线段的末端与所述凸出部的表面之间并把它们连接起来，所述直线段具有从0至10mm范围的长度(L)。
10.根据权利要求9中所述的一种活塞，其特征是，所述直线段在所述垂直平面内相对于所述活塞的中心轴线倾斜以便形成一个从0°至15°范围内的角度(θ2)，所述直线段沿朝着所述凸出部表面的方向离开所述活塞的中心轴线倾斜。
11.根据权利要求7中所述的一种活塞，其特征是，所述第1曲线段有一个在所述垂直平面内达到所述凸出部的表面的末端，所述第1曲线段在所述凸出部表面处的切线在所述垂直平面内相对于所述活塞的中心轴线倾斜以便形成一个从0°至15°范围内的角度(θ2’)，所述切线沿朝着所述凸出部表面的方向离开所述活塞的中心轴线倾斜。
12.根据权利要求1中所述的一种活塞，其特征是，发动机燃烧室的一部分的横截面面积对气缸的气缸内孔的投影面积的百分比不小于30％，所述横截面面积在包括发动机气缸中心轴线的垂直平面内，所述燃烧室的所述部分被界定于气缸头的表面与处于上死点的所述活塞的所述活塞头之间，并由一个连接所述山脊线和所述气缸头表面的假想圆柱来界定，所述假想圆柱具有与所述活塞的中心轴线相平行的轴线，所述投影面积是通过把气缸内孔沿所述气缸的中心轴线的方向投影而得到的。
13.根据权利要求1中所述的一种活塞，其特征是，所述活塞头有一个沿所述活塞头周边形成的并位于所述标准水平平面内的大体上环形的标准平坦表面，其中所述凸出部被所述标准平坦表面所环绕。
14.根据权利要求1中所述的一种活塞，其特征是，所述活塞头经由所述标准水平平面与所述活塞的圆柱形侧壁相连接。
15.根据权利要求1中所述的一种活塞，其特征是，所述角度(θ1)在从10°至30°的范围之内。
16.一种用于气缸直接喷射火花点火内燃发动机的活塞，该活塞包括：
一个包括凸出部的活塞头，该凸出部从一个垂直于所述活塞的中心轴线的标准水平平面突出，所述凸出部带有一个其周边形成一条大体上圆形的山脊线的凹坑，以及一个在所述山脊线外侧形成的并朝着所述活塞头的周边延伸的倾斜表面，所述倾斜表面沿从所述山脊线到所述活塞头周边的方向连续向下倾斜，所述倾斜表面相对于所述标准水平平面形成一个从10°到60°范围的角度(θ1)，
其中所述凹坑具有一个在从3至9mm范围内的深度(A)，所述深度是所述凹坑的底部表面与所述活塞的所述标准水平平面之间的轴向距离，
其中所述凹坑由一个大体上环形的侧壁表面来界定，所述侧壁表面在一个包括所述活塞的中心轴线和所述凹坑的中心轴线的垂直平面内由第1和第2对峙的曲线段来表达，所述第1曲线段被布置成比所述第2曲线段更靠近火花塞，所述第1曲线段具有从5至20mm范围内的曲率半径。
17.一种气缸直接喷射火花点火内燃发动机，该内燃发动机包括：
一个带有一组气缸的气缸体；
一个固定地安装在所述气缸体上的气缸头；
可动地设置于所述气缸头的进气气门和排气气门；
一个用来把燃油直接喷入对应于每个气缸所形成的燃烧室的燃油喷射阀；
一个其前端部伸进该燃烧室的火花塞；
一个可动地设置在气缸内以便在它与所述气缸头之间界定该燃烧室的活塞，所述活塞包括一个带有凸出部的活塞头，该凸出部从一个垂直于所述活塞的中心轴线的标准水平平面突出，所述凸出部带有一个其周边形成一条大体上圆形的山脊线的凹坑，所述凹坑有一条从所述活塞的中心轴线朝着所述进气气门偏移的中心轴线，以及一个在所述山脊线外侧形成的并朝着所述活塞头的周边延伸的倾斜表面，所述倾斜表面沿从所述山脊线到所述活塞头周边的方向连续向下倾斜，所述倾斜表面相对于所述标准水平平面形成一个从10°到60°范围的角度。
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