CN109931180A - 用于改善燃烧稳定性的活塞凹腔 - Google Patents

Abstract

一种活塞，该活塞包括冠部部分，该冠部部分具有波型凹腔，该波型凹腔具有凹角表面，该凹角表面从顶部挤压表面延伸且连接于下部侧壁表面，该下部侧壁表面连接于设置在底部凹腔表面附近的旋流凹穴表面。

Description

用于改善燃烧稳定性的活塞凹腔

技术领域

本发明总地涉及活塞，该活塞用在内燃机中且具有波型活塞凹腔几何形状。更确切地说，本发明涉及一种活塞，该活塞具有波型活塞凹腔几何形状用于改善燃烧稳定性，且该活塞可用在诸如燃气发动机之类的火花点火发动机中。

背景技术

内燃机惯常用在各种工业中以驱动机器和设备。使用此种机器和设备的工业示例包括船舶、土方移动、建筑、采矿、机车以及农业工业等等。在某些市场和市场部门中，需要具有高比输出、高效率以及良好燃烧稳定性的燃气发动机。当前发动机通常无法满足期望的性能需求。

授予Lapp的美国专利号9,471,311说明一种活塞，该活塞具有波型活塞凹腔几何形状。然而，专利文献的重点并不涉及比输出、高效率以及良好的燃烧稳定性。更确切地说，该波型活塞凹腔几何形状并未被教示改善任何这些性能。替代地，例如由Lapp的摘要所示，该专利文献涉及减小动力单元组件的重量。更确切地说，Lapp的示例性动力单元组件可包括活塞冠部和连接杆。在示例性说明中，动力单元组件包括活塞冠部，该活塞冠部具有绕燃烧凹腔周向地延伸的环形凸脊。凸台部分可各自包括向内延伸的肩部，以限定弧形的冠部行进表面。动力单元组件可进一步包括连接杆，该连接杆具有柄部和接收在冠部的空腔中的上端部。连接杆的上端部可限定远离柄部延伸的弧形连接杆行进表面。冠部行进表面和连接杆行进表面通常允许连接杆相对于活塞冠部绕旋转轴线枢转，该旋转轴线从凸台部分的一个延伸至凸台部分的另一个。

例如，能观察到的是，Lapp的活塞设计并不解决一些当前市场需求，例如具有高比输出、高效率以及良好燃烧稳定性的需求。因此，期望开发一种活塞，该活塞允许发动机使用该活塞来骑坐在该发动机的孔中，以具有高比输出、高效率以及良好的燃烧稳定性。

发明内容

可根据本发明的一实施例提供构造成在发动机的孔中往复运动的活塞，该活塞包括主体，该主体包括连接杆附连部分和冠部部分。该冠部部分可包括大体圆柱形形状，该大体圆柱形形状限定圆柱形轴线、周向方向以及径向方向。该冠部部分可进一步包括圆环形顶部挤压表面和壁部分，该圆环形顶部挤压表面具有外周缘，该壁部分远离挤压表面轴向地延伸，以限定波型凹腔，该波型凹腔从顶部挤压表面朝向主体的内部轴向地延伸且终止在底部凹腔表面处。壁部分可进一步限定冷却廊道，该冷却廊道从底部壁表面朝向顶部挤压表面轴向地延伸。该波型凹腔可包括绕圆柱形轴线的对称环形形状以及凹角表面，该凹角表面从顶部挤压表面延伸且连接于下部圆锥形表面，该下部圆锥形表面连接于设置在底部凹腔表面附近的旋流凹穴表面。

可根据本发明的另一实施例提供构造成在发动机的孔中往复运动的活塞，该活塞包括主体，该主体包括连接杆附连部分和冠部部分。该冠部部分可包括大体圆柱形形状，该圆柱形形状限定圆柱形轴线、周向方向以及径向方向。该冠部部分可进一步包括圆环形顶部挤压表面和壁部分，该圆环形顶部挤压表面具有外周缘，该壁部分靠近于挤压表面的外周缘远离挤压表面轴向地延伸，以限定底部壁表面。该冠部部分可进一步限定波型凹腔，该波型凹腔从顶部挤压表面朝向主体的内部轴向地延伸，且终止在底部凹腔表面处。壁部分可进一步限定冷却廊道，该冷却廊道从底部壁表面朝向顶部挤压表面轴向地延伸。波型凹腔可包括绕圆柱形轴线的对称环形形状以及下部圆锥形表面，且冷却廊道可包括外部圆锥形表面，该外部圆锥形表面设置在与之平行的下部圆锥形表面附近。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的具有波型活塞凹腔几何形状的活塞的剖切侧视图。

图2是图1的活塞的冠部部分的放大视图，以更清楚地示出活塞凹腔几何形状和冷却廊道几何形状。

图3是图2的活塞凹腔几何形状的侧壁和底部角部的放大视图。

图4是示出使用本发明的活塞的实施例优于并不根据本发明的实施例构造的活塞的基线数值而改善燃烧稳定性(表述为IMEP(平均指示压力)的COV)的图表。

具体实施方式

现将详细地参照本发明的实施例，这些实施例的示例在附图中进行说明。在可能的情形中，相同的附图标记会在整个附图中用于指代相同或类似的部件。在一些情形中，附图标记会在本说明书中指示，且附图会示出附图标记后跟有字母(例如，100a、100b)或者后跟有撇号指示符(例如，100’、100”)等等。应理解的是，紧跟在附图标记之后使用字母或撇号指示这些特征类似地成形并且具有类似的功能，例如通常是当几何形状绕对称平面对称时的情形。为了便于在本说明书中进行解释，这里通常并不包括字母或撇号，但是可在附图中示出，以指示本书面说明书内讨论的特征的重复。

现在将描述根据本发明的可用在内燃机中的活塞的各个实施例，该活塞具有冷却廊道和活塞凹腔几何形状。更具体地说，这些活塞可提供良好的燃烧稳定性和/或较低的压缩比，以允许发动机能具有高比输出和高效率。

查看图1至3，示出活塞100，该活塞构造成在诸如内燃机的发动机(未示出)的孔(未示出)中往复运动。根据本发明的一实施例，活塞100的各个特征可允许良好的燃烧稳定性。

活塞100可包括主体102，该主体包括连接杆附连部分104和冠部部分106。冠部部分106可包括大体圆柱形的形状，以限定圆柱形轴线108、周向方向110以及径向方向112。该冠部部分106可进一步包括圆环形顶部挤压表面114和壁部分118，该圆环形顶部挤压表面具有外周缘116，且该壁部分靠近于挤压表面114的外周缘116远离挤压表面114轴向地延伸。壁部分118可限定底部壁表面120。

此外，冠部部分106可进一步限定波型凹腔122，该波型凹腔从顶部挤压表面114朝向主体102的内部轴向地延伸，且终止在底部凹腔表面124处。该波型凹腔122可在冠部部分106中对中，且壁部分118可绕波型凹腔122周向地延伸。壁部分118可进一步限定冷却廊道126，该冷却廊道从底部壁表面120朝向顶部挤压表面114轴向地延伸，且该冷却廊道126可绕波型凹腔以环形的方式周向地延伸。

波型凹腔122可包括绕圆柱形轴线108的对称环形形状，并且可进一步包括凹角表面130，该凹角表面从顶部挤压表面114延伸并且连接于下部圆锥形表面132。该下部圆锥形表面132可连接于设置在底部凹腔表面124附近的旋流凹穴表面134。

“凹角”表面130应理解为包括任何这样的表面，该表面沿着冠部部分106的轴向方向108形成底切部，并且通常设置成靠近于挤压表面114以及从该挤压表面延伸。凹角表面130可辅助在发动机的燃烧循环期间产生燃料和空气混合物的旋流效应，以有助于提供良好的燃烧稳定性。

类似地，设置在波型凹腔122的底部处的旋流凹穴表面134还可在发动机的燃烧循环期间提供燃料和空气混合物的旋流效应，这也有助于提供良好的燃烧稳定性。旋流凹穴表面134可包括弧形部分136和底部成角度表面138，该底部成角度表面将旋流凹穴表面134的弧形部分136连接于底部凹腔表面124。针对所示出的实施例，底部凹腔表面124是平坦的并且垂直于圆柱形轴线108。其它构造也是可能的。

例如这里使用的是，“弧形”包括并非平直的任何形状，包括径向、椭圆形、多边形等等。术语“弯部”也可类似地理解。

对于图1至3中示出的实施例，凹角表面130是圆锥形凹角表面140或近圆锥形凹角表面。圆锥形凹角表面140可与顶部挤压表面114形成在从45至80度范围内的凹角夹角142。类似地，圆锥形凹角表面140和下部圆锥形表面132在圆锥形凹角表面130、140、240和下部圆锥形表面132之间形成侧壁和侧壁角度144，该侧壁角部在从110至140度的范围内。

波型凹腔122可进一步包括顶部弯部146和底部弯部148，该顶部弯部从圆锥形凹角表面140过渡至下部圆锥形表面132，且该底部弯部从底部成角度表面138过渡至底部凹腔表面124。在一些实施例中，可省略底部成角度表面138，以使得旋流凹穴表面134的弧形部分136(示作采取凹半径的形式)可直接地过渡至底部弯部148，该底部弯部示作采取凸半径的形式。弯部146、148可具有除了径向以外的其它构造。

针对图1至3中示出的实施例，底部凹腔表面124具有圆形形状，该圆形形状具有底部凹腔表面直径150，且圆锥形凹角表面140与顶部挤压表面114形成圆形相交部152。此种圆形相交部152限定圆形相交部直径154，且圆形相交部直径154与底部凹腔表面直径150的比值在从1.75至3.5的范围内。底部凹腔表面124可以是平坦的并且垂直于圆柱形轴线108，且旋流凹穴表面134可包括弧形部分136，该弧形部分限定下部轴向末端156，该下部轴向末端轴向地设置在底部凹腔表面124下方。在其它实施例中，底部凹腔表面124以及挤压表面114和凹角表面130之间的相交部152可按需求或期望改变。

现聚焦于图1，活塞100的主体102可限定从顶部挤压表面114至下部轴向末端156的第一轴向距离158。此外，连接杆附连部分104可限定圆柱形孔口160，该圆柱形孔限定连接杆枢转轴线162，该连接杆枢转轴线垂直于冠部部分106的圆柱形轴线108。主体102可进一步限定从弧形部分136的下部轴向末端156至枢转轴线162的第二轴向距离164，且第二轴向距离164与第一轴向距离158的比值可在从1.25至2.5的范围内。

查看冷却廊道126，活塞100的主体102可包括外部圆锥形表面166，该外部圆锥形表面部分地限定冷却廊道126。该外部圆锥形表面166可设置在波型凹腔122的下部圆锥形表面132附近，并且可与之平行。冷却廊道和波型凹腔之间的此种几何形状关系可允许凹腔的容积最大，增大动力输出并且略微减小压缩比等等。

接下来，将参照图1至3描述构造成在发动机的孔中往复运动的活塞，该活塞可提供增大动力输出以及降低压缩比。

此种活塞200可包括主体202，该主体包括连接杆附连部分204和冠部部分206。如前所述，冠部部分206可包括大体圆柱形的形状，以限定圆柱形轴线208、周向方向210以及径向方向212。该冠部部分206可进一步包括圆环形顶部挤压表面214和壁部分218，该圆环形顶部挤压表面具有外周缘216，且该壁部分靠近于挤压表面214的外周缘216远离挤压表面214轴向地延伸，以限定底部壁表面220。冠部部分206可进一步限定波型凹腔222，该波型凹腔从顶部挤压表面214朝向主体202的内部轴向地延伸，且终止在底部凹腔表面224处。壁部分218可进一步限定冷却廊道226，该冷却廊道从底部壁表面220朝向顶部挤压表面214轴向地延伸。

针对该实施例，波型凹腔222包括绕圆柱形轴线208的对称环形形状并且进一步包括下部圆锥形表面232，且冷却廊道226包括外部圆锥形表面266，该外部圆锥形表面设置在与之平行的下部圆锥形表面232附近。下部侧壁表面230、例如下部圆锥形表面232可与圆柱形轴线208形成锐角268，该锐角在0至30度的范围内。任何超过零度的角度会使得该表面作为下部圆锥形表面。

冷却廊道226可限定沿着与圆柱形轴线208平行的方向的冷却廊道高度270。此外，冷却廊道侧壁表面265、例如外部圆锥形表面266可限定外部圆锥形表面曲线长度272(也可称为冷却廊道侧壁表面曲线长度273)，且冷却廊道226的高度270与外部圆锥形表面曲线长度272、273的比值在1.0至1.9的范围内。

例如这里之前提及的是，波型凹腔222可包括圆锥形凹角表面240，该圆锥形凹角表面从顶部挤压表面214延伸，且与下部圆锥形表面232形成在110至140度范围内的角度244。

此外，波型凹腔222可包括旋流凹穴表面234，该旋流凹穴表面设置在底部凹腔表面224附近，并且将下部圆锥形表面232连接于底部凹腔表面224。再者，底部凹腔表面224可以是平坦的并且可具有圆形构造。这可有助于使得凹腔的容积最大，增大发动机的动力输出。

更仔细地查看旋流凹穴，旋流凹穴表面234可包括凹入弧形部分236，该凹入弧形部分限定下部轴向末端256，该下部轴向末端轴向地设置在底部凹腔表面224下方。这可有助于使得凹腔的容积最大，同时还有助于良好的燃烧稳定性，从而可提供旋流效应，该旋流效应可改善发动机的燃烧循环期间燃料在燃料和空气混合物中的散布。

主体202可限定从顶部挤压表面214至连下部轴向末端256的第一轴向距离256，且连接杆附连部分204可限定圆柱形孔口260，该圆柱形孔口限定垂直于冠部部分206的圆柱形轴线208的连接杆枢转轴线262。以类似的形式，主体202可进一步限定从凹入弧形部分236的下部末端256至枢转轴线262的第二轴向距离266，且第二轴向距离264与第一轴向距离258的比值可在从1.25至2.5的范围内。主体202还可限定从顶部挤压表面214至底部凹腔表面224的第三轴向距离274，且第一轴向距离258与第三轴向距离274的比值可在1.0至1.4的范围内。

例如这里早先提及的是，该主体可进一步包括弯部246，该弯部将凹角圆锥形表面240结合于下部圆锥形表面232。由于该弯部246限定凹腔222的径向末端，因而弯部246还在该弯部表面处限定凹腔222的最大直径276(参见图2)，且最大直径276与第一轴向距离258的比值在2.75至5.0的范围内。冠部部分206可在顶部挤压表面214的外周缘216处限定冠部直径278(参见图2)，且冠部直径278与凹腔222的最大直径276的比值可在1.3至1.8的范围内。

针对这里讨论的任何实施例，冠部部分104、204的许多特征均共享相同的圆柱形轴线108、208，包括冷却廊道126、226、波型凹腔122、222、壁部分118、218上的活塞环形凹槽280、壁部分自身等等。在许多实施例中，这些特征绕轴线108、208是对称的。这对于其他实施例可能并非如此。

活塞可由钢、铸造铝合金、锻造铝合金或耐用、耐腐蚀的其它合适材料等等制造。冷却廊道的几何形状可在铸造或锻造工艺期间形成，并且然后如果需要的话可进行粗加工和/或精加工。合适的机加工工艺可包括铣削、车削、放电机加工等等。

工业实用性

实践中，可在零部件市场或OEM环境中根据需求或期望而提供、出售、制造以及购买根据这里描述的任何实施例的活塞、活塞的冠部部分和/或使用此种活塞或活塞的冠部部分的发动机组件。例如，冠部部分或活塞可用于改装本领域中已有的现有发动机，或者可随着发动机或者使用该发动机的设备而在设备的第一出售点处出售。

此种发动机中的改善可包括通过测试验证的以下方面。更确切地说，图4包含测试数据，该测试数据指示用于长连接杆(12.5CR、长杆)的活塞几何形状在燃烧稳定性(表述为IMEP的COV)方面具有优于基线活塞几何形状的改善。

应意识到的是，前文描述提供所公开的组件和技术的示例。然而，可设想的是，本发明的其它实施方式可在细节上不同于前文示例。对于本发明或其示例的所有参照旨在参照在此点处讨论的特定示例，而并不旨在暗示更一般地对本发明的范围有任何限制。关于某些特征的差别和贬低的所有语言旨在指示缺乏对这些特征的偏好，但不是将这些完全排除在本发明的范围之外，除非另有指示。

除非这里另有指示，这里所述的数值的范围仅仅用作分别指代落在该范围内的每个独立数值的简化方法，并且每个独立数值与它在这里被单独引述一样引用到说明书中。

对于本领域技术人员显而易见的是，能对这里讨论的设备和组装方法的实施例作出各种修改和改变，而不会偏离本发明的范围或精神。在考虑了这里讨论的各个实施例的说明和实践后，本发明的其它实施例对于本领域技术人员会是显而易见的。例如，其中一些设备可与这里已描述的设备不同地构造和起作用，且任何方法的某些步骤可省略，以与已确切提及的顺序不同的顺序执行，或者在一些情形中同时地或在子步骤中执行。此外，可对于各个实施例的某些方面或特征作出改变或修改，以产生又一些实施例，且各个实施例的特征和方面可添加至或替代其它实施例的其它特征或方面，以提供进而又一些实施例。

因此，本发明包括适用的法律所允许的所附权利要求书中列举的主题的所有修改和等同物。此外，本发明涵盖上述元件在其所有可能变型中的任何组合，除非这里另有指示或者另外与上下文明显矛盾。

Claims (10)

1.一种活塞，所述活塞构造成在发动机的孔中往复运动，且所述活塞包括：

主体，所述主体包括连接杆附连部分和冠部部分；

所述冠部部分包括大体圆柱形形状，所述大体圆柱形形状限定圆柱形轴线、周向方向以及径向方向，且所述冠部部分进一步包括圆环形顶部挤压表面和壁部分，所述圆环形顶部挤压表面具有外周缘，且所述壁部分靠近于所述挤压表面的所述外周缘远离所述挤压表面轴向地延伸，以限定底部壁表面，所述冠部部分进一步限定波型凹腔，所述波型凹腔从所述顶部挤压表面朝向所述主体的内部轴向地延伸，且在底部凹腔表面处终止，且所述壁部分进一步限定冷却廊道，所述冷却廊道从所述底部壁表面朝向所述顶部挤压表面轴向地延伸；以及

其中，所述波型凹腔包括绕所述圆柱形轴线的对称环形形状，并且进一步包括凹角表面，所述凹角表面从所述顶部挤压表面延伸且连接于下部侧壁表面，所述下部侧壁表面连接于设置在所述底部凹腔表面附近的旋流凹穴表面。

2.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述旋流凹穴表面包括弧形部分和底部成角度表面，所述底部成角度表面将所述旋流凹穴表面的所述弧形部分连接于所述底部凹腔表面，且所述底部凹腔表面是平坦的并且垂直于所述圆柱形轴线。

3.根据权利要求2所述的活塞，其中，所述凹角表面是圆锥形凹角表面，且所述圆锥形凹角表面与所述顶部挤压表面形成凹角夹角，所述凹角夹角在从45至80度的范围内。

4.根据权利要求3所述的活塞，其中，所述圆锥形凹角表面和下部侧壁表面形成侧壁和在所述圆锥形凹角表面和所述下部侧壁表面之间的侧壁角度，所述侧壁角度在从110至140度的范围内。

5.根据权利要求4所述的活塞，其中，所述下部侧壁表面是下部圆锥形表面，且所述波型凹腔进一步包括顶部弯部，所述顶部弯部从所述圆锥形凹角表面过渡至所述下部圆锥形表面。

6.根据权利要求5所述的活塞，其中，所述波型凹腔进一步包括底部弯部，所述底部弯部从所述底部成角度表面过渡至所述底部凹腔表面。

7.根据权利要求6所述的活塞，其中，所述底部凹腔表面具有圆形形状，所述圆形形状限定底部凹腔表面直径，且所述圆锥形凹角表面与所述顶部挤压表面形成圆形相交部，所述圆形相交部限定圆形相交部直径，且所述圆形相交部直径与所述底部凹腔表面直径的比值在从1.75至3.50的范围内。

8.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述底部凹腔表面是平坦的，并且垂直于所述圆柱形轴线，且所述旋流凹穴表面包括弧形部分，所述弧形部分限定下部轴向末端，所述下部轴向末端轴向地设置在所述底部凹腔表面下方。

9.根据权利要求8所述的活塞，其中，所述主体限定从所述顶部挤压表面至所述下部轴向末端的第一轴向距离，所述连接杆附连部分限定圆柱形孔口，所述圆柱形孔口限定垂直于所述冠部部分的所述圆柱形轴线的连接杆枢转轴线，且所述主体进一步限定从所述弧形部分的所述下部轴向末端至所述枢转轴线的第二轴向距离，且所述第二轴向距离与所述第一轴向距离的比值在从1.25至2.5的范围内。

10.根据权利要求1所述的活塞，其中，所述主体包括冷却廊道侧壁表面，所述冷却廊道侧壁表面部分地限定所述冷却廊道并且设置在与之平行的所述下部侧壁表面附近。