專利名稱：往復(fù)式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力反應(yīng)活塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的主題涉及在往復(fù)式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的活塞。該活塞具有在活塞的上 部形成氣室的部分的可滑動(dòng)安裝的頂部(crown)。
背景技術(shù)：
通常，往復(fù)式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，更具體地為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)者面臨越來越嚴(yán)格的關(guān) 于廢氣排放的調(diào)節(jié)要求。更具體地，將來的調(diào)節(jié)將要求更少的氮氧化物(NOx)、顆粒 物質(zhì)(PM)、及未燃的碳?xì)浠衔?HC)的排放。已知控制N0x的有效方法是降低燃 燒室中的峰值溫度，以及通過排氣再循環(huán)(EGR)降低可用的氧氣。然而，這兩個(gè)補(bǔ) 救措施都傾向于增加PM和HC排放。在2000°K以上固氮作用發(fā)生率非常高。另一方 面，在1500°K以下碳?xì)浠衔锏男纬蓛A向于快速增加。因此，若降低峰值燃燒室溫 度，可以減少N0x，但以產(chǎn)生更多的碳?xì)浠衔餅榇鷥r(jià)。可以使用延遲點(diǎn)火正時(shí)，有 時(shí)稱為點(diǎn)火正時(shí)延遲以減少N0x的形成。這可能造成汽缸溫度降到1500°K以下，導(dǎo) 致較高的碳?xì)浠衔锖驮黾拥娜剂舷摹?br> 若限制峰值溫度，但仍保持在1500。K以上足夠長時(shí)間以完全地消耗所有的燃料， 關(guān)于NOx、 PM、及HC的排放，可能同時(shí)產(chǎn)生有利的結(jié)果，而不會(huì)不利地影響制動(dòng)燃 料消耗率(brake specific fuel consumption)。
期望具有允許發(fā)動(dòng)機(jī)操作在同時(shí)減少NOx、 PM、及HC的形成的狀況下，而不會(huì) 不利地影響燃料消耗率的壓力反應(yīng)活塞(pressure reactive piston)。

發(fā)明內(nèi)容
通過減少燃燒室內(nèi)的壓力和峰值溫度，同時(shí)允許以壓縮做功的活塞中的氣室內(nèi)容 納的氣體的形式存儲(chǔ)能量，以便允許氣體的后續(xù)膨脹和有效地允許類似高壓壓縮的操 作，而不伴隨NOx、 PM的形成，且沒有燃燒溫度過低導(dǎo)致的附加的HC的缺點(diǎn)，本發(fā) 明的壓力反應(yīng)活塞允許有利的發(fā)動(dòng)機(jī)操作。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力反應(yīng)活塞包括具有活塞銷座的基本上 圓柱形的裙部(trunk)和位于裙部之上的基本上圓柱形的環(huán)形部分，環(huán)形部分具有 軸向上導(dǎo)向的中心孔和圍繞環(huán)形部分的外壁的多個(gè)活塞環(huán)形槽。頂部可滑動(dòng)地安裝在 中心孔中，頂部與中心孔協(xié)作界定頂部之下的氣室。 一定體積的壓縮氣體容納在氣室 中且通過設(shè)置在頂部和環(huán)形部分之間的柔性氣密封保持在氣室中。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在本發(fā)明中使用的柔性氣密封優(yōu)選地配置為金屬波紋管(bellows)或彈性元件。在任一種情況下，柔性氣密封容納在活塞頂部的基本上圓 柱形外壁和形成在活塞的環(huán)形部分中的活塞中心孔的基本上圓柱形內(nèi)壁界定的環(huán)形 空間中。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，活塞可以配置為具有位于中心孔的最上部的固位器階梯 的整體式基本上圓柱形的環(huán)形部分。在裝備有本發(fā)明的活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)的操作期間固位 器階梯將可滑動(dòng)的頂部保持在活塞中。或者，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，通過應(yīng)用于活 塞環(huán)形部分的上表面的環(huán)形頂盤，頂部可滑動(dòng)地保持在活塞中。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，可以選擇容納在活塞氣室中的壓縮氣體的靜壓力以便足 以在裝備有本發(fā)明的活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)和輕負(fù)載操作期間防止頂部在壓縮方 向上相對于活塞的環(huán)形部分的滑動(dòng)。
本發(fā)明的壓力反應(yīng)活塞的優(yōu)點(diǎn)是可以在單個(gè)活塞中利用低壓縮比和高壓縮比兩 者的益處。例如，可以一起具有低壓縮比的益處如低N0x產(chǎn)生、低摩擦損耗、低熱損 耗、及發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件低機(jī)械應(yīng)力和高壓縮活塞可用的高熱效率，因?yàn)轫憫?yīng)于汽缸壓力活 塞頂部的運(yùn)動(dòng)有效地導(dǎo)致最大汽缸溫度和最大汽缸壓力的減少，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹 行程期間當(dāng)活塞頂部相對于活塞的環(huán)形部分移動(dòng)時(shí)仍允許獲得對活塞中的壓縮氣體 做的功。
相比較于其他的可變壓縮比活塞，本發(fā)明的壓力反應(yīng)活塞的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，本發(fā) 明的活塞以可重復(fù)的方式快速操作，且比使用金屬彈簧或液壓操作系統(tǒng)的已知的壓力 反應(yīng)活塞更穩(wěn)健。
通過閱讀本說明，本發(fā)明的其他的優(yōu)點(diǎn)以及特征將變得顯而易見的。


圖1示出安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)中的根據(jù)本發(fā)明的活塞?？梢苿?dòng)的活塞頂部位于其最高壓 縮或延伸的位置。
圖2A為圖1的活塞的放大視圖； 圖2B為圖2A的部分的放大視圖3A類似于圖2A,但描述了可移動(dòng)的活塞頂部位于完全壓縮的位置的圖2A的活
塞；
圖3B為圖3A的部分的放大視圖4為包括彈性氣密封的活塞的替代的實(shí)施例。
具休實(shí)施方式
如圖1所示，活塞10安裝在汽缸22中，汽缸22承載在汽缸體26中?；钊?0 通過活塞銷16連接到連桿14。進(jìn)而連桿14連接到曲軸18。發(fā)動(dòng)機(jī)還包括提升闊17 和燃料噴射器19。本領(lǐng)域技術(shù)人員鑒于本公開應(yīng)理解根據(jù)本發(fā)明的活塞可以用于各種類型的往復(fù)式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，如所示的柴油機(jī)，或火花點(diǎn)火式，或均質(zhì)進(jìn)氣壓縮點(diǎn)火 (HCCI)發(fā)動(dòng)機(jī)，或其他類型的往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)。
活塞IO包括結(jié)合活塞銷座34的裙部30?；钊纳喜堪ň哂型獗?0和多個(gè)活 塞環(huán)形槽42的環(huán)形部分38。在圖1-圖3B的實(shí)施例中，具有內(nèi)徑78的環(huán)形頂盤74 放置在環(huán)形部分38的頂上，其功能將在下文解釋。
活塞10還包括在環(huán)形部分38中形成的軸向上導(dǎo)向的孔46。軸向上導(dǎo)向的孔46 具有內(nèi)壁48，在內(nèi)壁48上安裝可滑動(dòng)的活塞頂部50。
可滑動(dòng)的活塞頂部50具有兩個(gè)外壁51和52。外壁51在可滑動(dòng)的頂部50的底部， 且可滑動(dòng)地接合軸向上導(dǎo)向的中心孔46的基本上圓柱形的內(nèi)壁48?；钊敳?0的 外壁52的上部可滑動(dòng)地落座在環(huán)形頂盤74的內(nèi)部徑向表面78上。
軸向上導(dǎo)向的孔46的底板47和活塞頂部50的底部形成在其中含有預(yù)先加壓的 一定體積的氣體62的氣室60,響應(yīng)于至少在發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)期間經(jīng)受的汽缸壓力， 選擇氣體壓力以便活塞頂部50不在壓縮方向上移動(dòng)。優(yōu)選地，不僅在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn) 動(dòng)期間，而且在發(fā)動(dòng)機(jī)的輕負(fù)載操作期間相對于活塞10的剩余部分，活塞頂部50保 持不動(dòng)。這允許活塞10用作提供極好的熱效率的高壓縮比活塞，而不會(huì)將在通常不 發(fā)生固氮作用的工況期間的峰值燃燒溫度降低到禁止性程度。因此，在圖1-圖2B中， 活塞頂部50如圖所示在其最高壓縮比位置，而在圖3A-圖3B中，活塞頂部50如圖 所示在最低壓縮比位置。
通過圖1-圖3B中的64和圖4中的70所示的柔性氣密封，壓縮氣體62容納在氣 室60中。如圖1-圖3B所示，柔性氣密封可以形成為折疊的金屬波紋管64。在圖4 中，柔性氣密封如圖所示為彈性元件70。重要的是柔性氣密封粘接到活塞10的相對 移動(dòng)部分以便氣體62保持在氣室60中。在其金屬配置64中，波紋管可以通過如銅 焊、焊接、或本領(lǐng)技術(shù)人員所知和本發(fā)明建議的其他方法粘接到頂部50、頂盤74和 單件環(huán)形部分中的一個(gè)及固位器44上(圖4)。應(yīng)理解本發(fā)明的活塞的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn) 在于當(dāng)活塞頂部50相對于活塞10的剩余部分移動(dòng)時(shí)，作用于柔性氣密封的氣體壓力 基本上相等。實(shí)際上，只有當(dāng)氣密封塌陷(當(dāng)頂部50完全伸展)時(shí)，氣密封必須支 撐巨大壓力差。此外，氣密封較好地支撐在頂部50和孔46之間。
在圖1-圖3B所示的實(shí)施例中，活塞頂部50通過環(huán)形頂盤74限定在軸向上導(dǎo)向 的孔46中，環(huán)形頂盤74通過焊接，如90所示的電子束焊或熔焊，或通過螺紋緊固
器、螺紋接合，或通過本領(lǐng)域技術(shù)人員所知和本發(fā)明建議的其他類型連接與環(huán)形部分 38連接。當(dāng)頂部50完全伸展時(shí)，波紋管64完全地層疊，且防止頂部50相對于活塞
10的剩余部分的任何進(jìn)一步行進(jìn)。
在圖4的實(shí)施例中，單件環(huán)形部分和固位器44使活塞頂部50與活塞IO保持可 滑動(dòng)的接合。在該實(shí)施例(圖4)中，在環(huán)形部分和固位器44如在圖4中的92所示 焊接或粘接到裙部30之前，活塞頂部50和彈性密封70或柔性氣密封64首先粘接到頂部50、環(huán)形部分及固位器44。如之前，這種粘接替代地可以通過螺紋緊固器，或 通過環(huán)形部分及固位器44和裙部30上的附帶的螺紋部分或本領(lǐng)域技術(shù)人員所知和本 發(fā)明建議的其他類型粘接完成?？?6的階梯部分83防止頂部50從活塞10的剩余部 分向外延伸到大于圖4所示的程度。
除了氣室60中含有的氣體62之外，氣室還可以包括冷卻或熱傳遞介質(zhì)63 (圖 2A和圖4),如包含乙二醇的水基液體，或有機(jī)酸技術(shù)冷卻劑，或一些其他類型的防 凍劑和熱傳遞介質(zhì)，其中熱傳遞介質(zhì)在室溫下作為液體儲(chǔ)存，響應(yīng)于活塞10的移動(dòng) 在氣室60中能夠上下移動(dòng)。優(yōu)選地，選擇冷卻介質(zhì)63以便在裝備有活塞10的發(fā)動(dòng) 機(jī)的操作期間改變相位。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，可以利用相位改變以有效地傳遞熱 量，冷卻介質(zhì)在環(huán)形部分38的底板47上冷凝。氣室60的存在期望增加頂部50的頂 部上的溫度，但移動(dòng)頂部50以便在發(fā)動(dòng)機(jī)的最大負(fù)載搡作期間實(shí)現(xiàn)低效率壓縮比意 味著可以避免高溫度狀況的事實(shí)；在氣室中使用熱傳遞介質(zhì)進(jìn)一步有助于避免過高的 峰值氣室溫度。
氣室60具有的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為氣室的尺寸可以調(diào)節(jié)以便改變作用在活塞頂部50上 的氣體彈簧剛度(rate)。此外，從在低溫時(shí)為固態(tài)，但在高溫時(shí)最終液化和汽化的 材料類型中選擇冷卻介質(zhì)63,通過增加活塞10的氣體彈簧剛度將促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的操作 更穩(wěn)定。
根據(jù)相關(guān)的法律標(biāo)準(zhǔn)描述了上述發(fā)明，因此本發(fā)明的描述在本質(zhì)上是示例的而不 具有限制意義，對本發(fā)明的實(shí)施例的改變和修改對本發(fā)明的技術(shù)人員可是顯而易見， 且落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。因此本發(fā)明的法律保護(hù)范圍只通過研究本發(fā)明的權(quán)利要求 確定。
權(quán)利要求
1. 一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力反應(yīng)活塞，包括具有活塞銷座的基本上圓柱形的裙部；位于裙部上基本上圓柱形的環(huán)形部分，其中所述環(huán)形部分具有軸向上導(dǎo)向的中心孔和圍繞環(huán)形部分的外壁的多個(gè)活塞環(huán)形槽；可滑動(dòng)地安裝在所述中心孔中的頂部，所述頂部與所述中心孔協(xié)作界定在頂部下延伸的氣室；在所述氣室中包含的一定體積的壓縮氣體；及在所述頂部和所述環(huán)形部分之間設(shè)置的柔性氣密封。
2. 如權(quán)利要求1所述的壓力反應(yīng)活塞，其特征在于，所述柔性氣密封包括金屬 波紋管。
3. 如權(quán)利要求1所述的壓力反應(yīng)活塞，其特征在于，所述柔性氣密封包括彈性 元件。
4. 如權(quán)利要求1所述的壓力反應(yīng)活塞，其特征在于，所述柔性氣密封容納在所 述頂部的基本上圓柱形的外壁和所述中心孔的基本上圓柱形的內(nèi)壁界定的環(huán)形空問中。
5. 如權(quán)利要求4所述的壓力反應(yīng)活塞，其特征在于，所述環(huán)形空間進(jìn)一步由應(yīng) 用于所述環(huán)形部分的上表面的基本上環(huán)形的頂盤界定。
6. 如權(quán)利要求5所述的壓力反應(yīng)活塞，其特征在于，所述基本上環(huán)形的頂盤具 有與所述頂部可滑動(dòng)接合的內(nèi)徑。
7. 如權(quán)利要求1所述的壓力反應(yīng)活塞，其特征在于，還包括在所述氣室中包含 的冷卻介質(zhì)。
8. 如權(quán)利要求7所述的壓力反應(yīng)活塞，其特征在于，選擇所述冷卻介質(zhì)以便在 裝備有所述活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)的操作期間改變相位。
9. 如權(quán)利要求1所述的壓力反應(yīng)活塞，其特征在于，所述裙部和所述環(huán)形部分 是整體的。
10. 如權(quán)利要求1所述的壓力反應(yīng)活塞，其特征在于，所述環(huán)形部分中的中心孔 配置有在活塞的上部上的階梯，以便為所述頂部提供整體式固位器。
11. 如權(quán)利要求10所述的壓力反應(yīng)活塞，其特征在于，所述環(huán)形部分在所述頂 部插入到所述中心孔中之后連接到所述裙部。
12. 如權(quán)利要求10所述的壓力反應(yīng)活塞，其特征在于，所述柔性氣密封包括通 過所述頂部的基本上圓柱形的外壁以及所述中心孔的基本上圓柱形的內(nèi)壁和配置在 活塞的上部上的所述階梯界定的環(huán)形空間中限定的金屬波紋管以便波紋管由所述頂 部的基本上圓柱形的外壁以及所述中心孔的基本上圓柱形的內(nèi)壁支持。
13. 如權(quán)利要求1所述的壓力反應(yīng)活塞，其特征在于，所述壓縮氣體以足以在裝 備有所述活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)期間防止所述頂部相對于所述環(huán)形部分在壓縮方 向上滑動(dòng)的壓力安置在所述氣室中。
14. 一種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力反應(yīng)活塞，包括 具有活塞銷座的基本上圓柱形的裙部；位于裙部上基本上圓柱形的環(huán)形部分，所述環(huán)形部分具有向上開啟的，軸向上導(dǎo) 向的中心孔和圍繞環(huán)形部分的外壁的多個(gè)活塞環(huán)形槽； 可滑動(dòng)地安裝在所述中心孔中的頂部，所述頂部與所述中心孔協(xié)作界定在頂部的 下表面和中心孔的朝上的表面之間延伸的氣室；應(yīng)用于所述環(huán)形部分的上表面以便將所述頂部限定在所述中心孔中的基本上環(huán) 形的頂盤；包含在所述氣室中的一定體積的壓縮氣體，當(dāng)頂部經(jīng)受起動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)和低負(fù)載操作的 汽缸壓力特征時(shí)，所述氣體具有足夠的靜態(tài)壓力促使所述頂部穩(wěn)定，同時(shí)在高負(fù)載搡 作期間允許頂部壓縮所述氣室中的氣體。在所述頂部和所述環(huán)形部分之間設(shè)置的柔性氣密封。
15. 如權(quán)利要求14所述的壓力反應(yīng)活塞，其特征在于，所述環(huán)形部分與所述裙 部是整體的。
16. —種內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力反應(yīng)活塞，其特征在于，包括 具有活塞銷座的基本上圓柱形的裙部；位于裙部上基本上圓柱形的環(huán)形部分，所述環(huán)形部分具有軸向上導(dǎo)向的中心孔和圍繞環(huán)形部分的外壁的多個(gè)活塞環(huán)形槽，所述環(huán)形部分具有位于所述中心孔的最上部 的固位器階梯；可滑動(dòng)地安裝在所述中心孔中的頂部，所述頂部與所述中心孔協(xié)作界定氣室，所述頂部通過所述固位器階梯限定在所述中心孔中；包含在所述氣室中的一定體積的壓縮氣體，當(dāng)頂部經(jīng)受起動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)和低負(fù)載搡作的 汽缸壓力特征時(shí)，所述氣體具有足夠的靜態(tài)壓力促使所述頂部穩(wěn)定，同時(shí)在高負(fù)載操 作期間允許頂部壓縮所述氣室中的氣體。設(shè)置在所述頂部和所述環(huán)形部分之間的柔性氣密封。
17. 如權(quán)利要求16所述的壓力反應(yīng)活塞，其特征在于，在所述頂部滑動(dòng)地插入到所述中心孔中之后所述環(huán)形部分連接到所述裙部。
18. —種往復(fù)式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，包括 曲軸；連接到所述曲軸的連桿； 汽缸體；及連接到所述連桿且可以往復(fù)運(yùn)動(dòng)地安裝在所述汽缸體內(nèi)的壓力反應(yīng)活塞，所述活 塞包括具有活塞銷座的基本上圓柱形的裙部；位于裙部上基本上圓柱形的環(huán)形部分，所述環(huán)形部分具有軸向上導(dǎo)向的中心孔和 圍繞環(huán)形部分的外壁的多個(gè)活塞環(huán)形槽；滑動(dòng)地安裝在所述中心孔中的頂部，所述頂部與所述中心孔協(xié)作界定氣室； 包含在所述氣室中的一定體積的壓縮氣體；及 設(shè)置在所述頂部和所述環(huán)形部分之間的柔性氣密封。
全文摘要
本發(fā)明涉及往復(fù)式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力反應(yīng)活塞，具體提供一種包括在活塞的活塞環(huán)形部分中形成的軸向上導(dǎo)向的中心孔的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力反應(yīng)活塞，活塞中容納可滑動(dòng)地安裝的頂部，該頂部與中心孔協(xié)作界定氣室，通過設(shè)置在頂部和活塞的環(huán)形部分之間的柔性氣密封使氣室與環(huán)境隔離。本發(fā)明的壓力反應(yīng)活塞可以在單個(gè)活塞中利用低壓縮比和高壓縮比兩者的益處。
文檔編號F02F3/00GK101424226SQ20081017063
公開日2009年5月6日 申請日期2008年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月29日
發(fā)明者喬什沃·P·斯泰朗 申請人:福特環(huán)球技術(shù)公司