內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于具有外部混合物形成的火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞(1)。所述活塞(1)可包括具有中心軸線M的活塞裙部(1.1)和朝頂部限制所述活塞裙部(1.1)的具有直徑D的活塞頂(2)。所述活塞頂(2)可由沿著周向U延伸的具有寬度b的活塞頂邊緣(2.1)和具有深度t的活塞凹部(2.2)形成。所述活塞凹部(2.2)包括具有基部直徑d的活塞凹部壁(2.2a)。在所述活塞凹部壁(2.2a)內(nèi)可設(shè)置有具有高度h的至少一個(gè)凹進(jìn)部分(4.1)。所述高度h在所述中心軸線M的方向上可滿足以下要求：0.2t<＝h<＝t。此外，本發(fā)明涉及具有這種活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)。
【專利說(shuō)明】?jī)?nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)一諸如具有外部混合物(例如，混合氣)形成的火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)一的活塞。具體而言，本發(fā)明涉及一種活塞，所述活塞包括具有中心軸線M的活塞裙部和朝頂部限制活塞裙部的具有直徑D的活塞頂。所述活塞頂可由沿著周向U延伸的具有寬度b的活塞頂邊緣和具有深度t的活塞凹部形成。所述活塞凹部可包括具有基部直徑d的活塞凹部壁。所述活塞凹部按照其基本形狀可通常是圓柱形的。
[0002]此外，本發(fā)明還涉及具有這種活塞的發(fā)動(dòng)機(jī)。

【背景技術(shù)】
[0003]由DE I 029 613 A獲知用于自燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的不同活塞頂形狀，所述活塞頂形狀通過(guò)噴射燃料的最佳進(jìn)給和混合來(lái)實(shí)現(xiàn)低噪音燃燒。在這方面，描述了為活塞凹部壁設(shè)置軸向平行或螺旋形狀的分隔邊緣，以使得燃料被引導(dǎo)到在中部占主導(dǎo)的有利渦流中。
[0004]在火花點(diǎn)火氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)中，采用具有不同活塞凹部形狀的活塞。一般而言，區(qū)分以下常見(jiàn)的變型:
[0005]A)具有屋頂形狀的活塞頂?shù)幕钊?。活塞頂?gòu)造成用于使用掃氣式預(yù)燃室來(lái)進(jìn)行燃燒過(guò)程，以使得火焰射流盡可能遲地撞擊燃燒室的壁。
[0006]B)具有浴盆形狀的活塞頂?shù)幕钊；钊敇?gòu)造成使得在入口側(cè)產(chǎn)生的滾流被保持。
[0007]C)具有Ω形活塞凹部的活塞。活塞頂構(gòu)造成用于柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的最佳直接噴射并且還由于成本方面的原因和為簡(jiǎn)單起見(jiàn)而供火花點(diǎn)火氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)使用；但是，后者卻具有可能不良的燃燒曲線。
[0008]D)具有罐狀活塞凹部的活塞?；钊敇?gòu)造成使得在活塞邊緣與氣缸蓋之間形成有沿徑向的擠氣流。此外，罐狀活塞凹部中的渦流增強(qiáng)。
[0009]對(duì)于具有渦旋輸入端口和室塞的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，具有罐狀活塞凹部的活塞非常適合。在壓縮行程期間，位于活塞的活塞頂邊緣(擠氣邊緣)上方的混合物移位到罐狀活塞凹部中。在膨脹行程期間，混合物再次被吸出罐狀活塞凹部。該過(guò)程特別是在上死點(diǎn)附近可能引起強(qiáng)烈的擠氣流。
[0010]與擠氣流互補(bǔ)地，罐狀活塞凹部還可能引起在入口側(cè)產(chǎn)生的渦流的加速。由于旋轉(zhuǎn)脈沖保持，渦流的旋轉(zhuǎn)速度在混合物向內(nèi)移位到罐狀活塞凹部中時(shí)升高。
[0011]本發(fā)明至少部分針對(duì)于改善或克服現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)方面。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]在一方面，本發(fā)明涉及用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞。所述活塞可包括具有中心軸線M的活塞裙部和朝頂部限制活塞裙部的具有直徑D的活塞頂。所述活塞頂可由沿著周向U延伸的活塞頂和具有深度t的活塞凹部形成。所述活塞凹部可包括具有基部直徑d的活塞凹部壁和設(shè)置在所述活塞凹部壁內(nèi)的具有高度h的至少一個(gè)凹進(jìn)部分。所述高度h在所述中心軸線M的方向上可滿足以下要求:0.2t< = h〈 = t,特別是0.3t< = h或0.4t< = h且h〈=t。
[0013]本發(fā)明還涉及柴油發(fā)動(dòng)機(jī)或火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)或火花點(diǎn)火氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī),其具有在其中被引導(dǎo)的如上所述類型的活塞。所述火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)或火花點(diǎn)火氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以是具有外部或內(nèi)部混合物形成的發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0014]本發(fā)明的其它特征和方面將從下文的描述和附圖而顯而易見(jiàn)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和細(xì)節(jié)在專利權(quán)利要求和說(shuō)明書中說(shuō)明并在附圖中示出，在附圖中:
[0016]圖1示出具有凹進(jìn)部分的活塞的透視圖；
[0017]圖2示出根據(jù)圖1的活塞的剖視圖；和
[0018]圖3不出發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019]圖1所示的活塞I包括具有中心軸線M的活塞裙部1.1和朝頂部限制活塞裙部1.1的具有直徑D的活塞頂2?；钊?由具有寬度b的活塞頂邊緣2.1和相對(duì)于中心軸線M居中且共軸地布置的活塞凹部2.2。活塞凹部2.2包括活塞凹部基部2.2b和具有基部直徑d的大致圓柱形的活塞凹部壁2.2a。
[0020]在活塞頂邊緣2.1內(nèi)，設(shè)置了 4個(gè)分布在周向U上的氣門凹窩5.1-5.4。在所示活塞I的操作期間，氣門凹窩5.1-5.4用于(確保)進(jìn)氣門或排氣門的足夠的間隙。
[0021]此外，在活塞凹部壁2.2a內(nèi)設(shè)置了分布在周向U上的多個(gè)凹進(jìn)部分4.1_4.6。這種情況中，各凹進(jìn)部分4.1-4.6延伸高度h，該高度h對(duì)應(yīng)于活塞凹部2.2的深度t的約75%。此外，各凹進(jìn)部分4.1-4.6具有最大寬度B，其相對(duì)于周向U形成相應(yīng)的凹進(jìn)部分4.1-4.6的約40度的角β的延伸范圍。各凹進(jìn)部分4.1-4.6包括對(duì)稱軸線S，其與中心軸線M成約22度的角a。因而，獲得了凹進(jìn)部分4.1-4.6的關(guān)于中心軸線M的徑向延伸范圍r，該徑向延伸范圍隨著凹進(jìn)部分4.1-4.6的高度h變化。徑向延伸范圍r在活塞頂邊緣2.1的區(qū)域內(nèi)最大并沿著高度h漸縮至O。為了能有效地引起紊流，徑向延伸范圍r的最小尺寸是必要的。一方面由于凹進(jìn)部分4.1-4.6的部分圓柱形的形狀且另一方面由于角α的設(shè)定，徑向延伸范圍r在高度h的超過(guò)95%的范圍內(nèi)大于0.5mm。
[0022]圖2示出剖面I1-1I的剖視圖,所述剖面I1-1I從凹進(jìn)部分4.1開(kāi)始經(jīng)過(guò)中心軸線M朝向凹進(jìn)部分4.6延伸。由此，出現(xiàn)了根據(jù)圖2的關(guān)于凹進(jìn)部分4.3,4.4的表示的重疊。由于對(duì)稱軸線S設(shè)置成關(guān)于中心軸線M成角α，所以確保了活塞凹部2.2與冷卻通路7之間的足夠的壁厚度。
[0023]根據(jù)圖1的實(shí)施例，在各氣門凹窩5.1-5.4的區(qū)域內(nèi)分別設(shè)置有用于每個(gè)氣門凹窩5.1-5.4的兩個(gè)凹進(jìn)部分4.1-4.6。在活塞I的上下運(yùn)動(dòng)期間形成的進(jìn)入活塞凹部2.2和離開(kāi)活塞凹部2.2的擠氣流由于氣門凹窩5.1-5.4的原因而在這個(gè)區(qū)域內(nèi)不論如何都受到一定干擾。通過(guò)將相應(yīng)的凹進(jìn)部分4.1-4.6特別是設(shè)置在相應(yīng)的氣門凹窩5.1-5.4的區(qū)域內(nèi)，不論如何都已經(jīng)受到影響的擠氣流進(jìn)一步受到影響。與此相比，在活塞頂邊緣2.1與活塞凹部2.2之間形成的完整擠氣流卻保留在氣門凹窩5.1-5.4之間的區(qū)域內(nèi)。
[0024]由于凹進(jìn)部分4.1-4.6，所以在活塞凹部2.2內(nèi)、特別是在活塞凹部壁2.2a的區(qū)域內(nèi)形成的渦流特別是在相應(yīng)凹進(jìn)部分4.1-4.6的相應(yīng)邊緣的區(qū)域內(nèi)渦旋，從而一概實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)的紊流誘導(dǎo)。
[0025]根據(jù)圖3的實(shí)施例，如根據(jù)圖1和圖2所述的活塞1、I’也可以用在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)或具有外部混合物形成的火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體6內(nèi)。
[0026]工業(yè)適用性
[0027]根據(jù)本發(fā)明，以使得可實(shí)現(xiàn)改善的燃燒的方式設(shè)計(jì)了一種用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞。擠氣流的形成和渦流的增強(qiáng)可對(duì)燃燒具有積極效果。然而，如果這些定向流可特定地轉(zhuǎn)變成紊流則可能更加積極，因?yàn)檫@將進(jìn)一步改善燃燒。
[0028]根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施例，在活塞凹部壁內(nèi)設(shè)置了從活塞頂邊緣開(kāi)始的具有高度h的至少一個(gè)凹進(jìn)部分，其中高度h關(guān)于中心軸線M的方向(即，在中心軸線M的方向上)滿足以下要求:0.2t< = h< = to
[0029]當(dāng)活塞凹部壁的基部直徑d或活塞凹部壁包括在朝向中心軸線M的徑向方向上例如至少2_深的空腔時(shí)可認(rèn)為存在凹進(jìn)部分。這意味著，關(guān)于朝向中心軸線M的徑向方向(即，在朝向中心軸線M的徑向方向上)，凹進(jìn)部分可在活塞凹部壁內(nèi)形成凹陷。凹進(jìn)部分優(yōu)選在活塞凹部壁的上邊緣處、也就是在活塞頂邊緣上開(kāi)始并朝向活塞凹部基部向下延伸。由此，活塞頂邊緣的寬度b在凹進(jìn)部分的區(qū)域內(nèi)會(huì)對(duì)應(yīng)地減小。由于凹進(jìn)部分，在活塞凹部中占主導(dǎo)的渦流可至少在活塞凹部壁的區(qū)域內(nèi)破開(kāi)使得特別是在凹進(jìn)部分的邊緣上形成渦旋，其建立紊流部分。渦旋可藉由高度h發(fā)展，使得隨著增加的高度h可以形成更多紊流。增強(qiáng)的紊流可在氣缸內(nèi)引起加速燃燒以及更快和更徹底的燃燒。由此，可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和爆震間隔。
[0030]根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施例，活塞頂?shù)闹睆紻可對(duì)應(yīng)于(例如，等于)活塞直徑?；钊睆酵瑯涌蓪?duì)應(yīng)于(例如，等于)活塞凹部的開(kāi)口截面的直徑d加上兩倍的活塞頂邊緣的寬度b。
[0031]根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例，開(kāi)口截面的直徑d或凹部直徑與活塞頂?shù)闹睆紻或活塞直徑之比優(yōu)選滿足以下要求:d/D = 0.4-0.6。
[0032]根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例，活塞凹部的深度t與活塞頂?shù)闹睆紻或活塞直徑之比優(yōu)選滿足以下要求:t/D = 0.15-0.35。
[0033]根據(jù)本發(fā)明又一示例性實(shí)施例，也可以有利的是，凹進(jìn)部分相對(duì)于周向U在最大寬度B上延伸角β的范圍，其中β〈 = 180°或3° <=β〈 = 90°或5° <=β〈 = 45°或10° <=β〈 = 40°。由于凹進(jìn)部分，在活塞凹部中占主導(dǎo)的渦流可在活塞凹部壁的區(qū)域內(nèi)破開(kāi)，使得渦旋特別是在凹進(jìn)部分的邊緣上發(fā)展，其建立紊流部分。渦旋的類型和強(qiáng)度可取決于凹進(jìn)部分在周向上的延伸范圍，因而取決于角β和凹進(jìn)部分在活塞凹部壁區(qū)域內(nèi)的最大寬度B。如果凹進(jìn)部分變得太小，則可能降低紊流誘導(dǎo)的效果。如果凹進(jìn)部分變得太寬，則僅可實(shí)現(xiàn)數(shù)量非常有限的凹陷。
[0034]此外，根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例，可設(shè)置分布在周向U上的多個(gè)凹進(jìn)部分。如上文已經(jīng)說(shuō)明的，所述凹進(jìn)部分可能必須具有一定尺寸使得其引起期望的效果，即，使得在活塞凹部中占主導(dǎo)的渦流有效破開(kāi)。可分布在周向U上的多個(gè)這樣的凹進(jìn)部分可增加這個(gè)效果。
[0035]根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例，凹進(jìn)部分關(guān)于中心軸線M可具有超出活塞凹部的基部直徑d的徑向延伸范圍r，其中徑向延伸范圍r在高度h的至少50%上(即，在高度h的至少50%的范圍內(nèi))的大小為至少0.5_至2_。可被誘導(dǎo)的紊流的程度可部分取決于徑向延伸范圍的尺寸。徑向延伸范圍r的最小尺寸是必要的，以便能夠有效地誘導(dǎo)紊流。當(dāng)徑向延伸范圍r設(shè)置在凹進(jìn)部分的高度h的至少50%上并滿足要求0.02< = r/D< = 0.1時(shí)，可獲得該最小尺寸。然而，為了建立對(duì)紊流誘導(dǎo)的持久效果，該徑向延伸范圍的尺寸或深度可能必須為至少2mm。
[0036]根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例，凹進(jìn)部分可包括對(duì)稱軸線S，其中設(shè)定對(duì)稱軸線S與中心軸線M成角α，其中0° < = α〈 = 30°或5° < = α〈 = 25°。通過(guò)設(shè)定朝向中心軸線M的對(duì)稱軸線S，可實(shí)現(xiàn)凹進(jìn)部分朝向底部漸縮。通過(guò)使凹進(jìn)部分朝向活塞凹部基部漸縮，使得活塞在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的強(qiáng)度僅受到較低程度的影響。這種情況下，對(duì)稱軸線S也可以僅涉及凹進(jìn)部分的大部分。如果對(duì)稱軸線S例如隨著拋物線形的凹進(jìn)部分連續(xù)改變，則應(yīng)以平均對(duì)稱軸線S為目標(biāo)。
[0037]根據(jù)本發(fā)明又一示例性實(shí)施例，可在活塞頂邊緣中引入至少一個(gè)氣門凹窩，并且凹進(jìn)部分可僅僅(完全)或至少部分地設(shè)置在至少一個(gè)氣門凹窩的區(qū)域內(nèi)。在某些條件下，設(shè)置有凹進(jìn)部分的活塞可包括自身在活塞凹部壁內(nèi)形成具有較低高度h的凹進(jìn)部分的氣門凹窩。如果在氣門凹窩的高度處設(shè)置相對(duì)于周向U的凹進(jìn)部分，則在氣門凹窩之間的區(qū)域內(nèi)的擠氣流保持不會(huì)受到影響。僅在設(shè)置氣門凹窩的無(wú)論如何哪個(gè)位置，即，在擠氣流已經(jīng)受到影響的位置，才將由于凹進(jìn)部分而進(jìn)一步減少有利于可產(chǎn)生的紊流的擠氣流。
[0038]結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的形成和布置，可有利地為每個(gè)氣門凹窩設(shè)置一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或更多的凹進(jìn)部分。凹進(jìn)部分的數(shù)目一方面可取決于它們的尺寸與相應(yīng)的氣門凹窩的尺寸之比。所述數(shù)目還可根據(jù)由此在任何情況中都可實(shí)現(xiàn)的對(duì)渦流的影響來(lái)確定。
[0039]根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例，凹進(jìn)部分可對(duì)稱地分布在周向U上。這里，分布可以是對(duì)稱的，或者根據(jù)相應(yīng)占主導(dǎo)的流動(dòng)條件而是不對(duì)稱的。原則上也設(shè)想到氣門凹窩在周向上的不規(guī)則分布?？捎欣貎H在一周向區(qū)的區(qū)域內(nèi)形成紊流，而在另一周向區(qū)域內(nèi)通過(guò)占主導(dǎo)的流動(dòng)條件提供足夠的紊流。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，擠氣流因此不受紊流凹窩影響。
【權(quán)利要求】
1.一種用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞(1)，該活塞包括: 具有中心軸線M的活塞裙部(1.1)； 朝頂部限制所述活塞裙部(1.D的具有直徑D的活塞頂(2)， 其中，所述活塞頂(2)由沿著周向U延伸的活塞頂邊緣(2.1)和具有深度t的活塞凹部(2.2)形成， 其中，所述活塞凹部(2.2)包括具有基部直徑d的活塞凹部壁(2.2a)和設(shè)置在所述活塞凹部壁(2.2a)內(nèi)的具有高度h的至少一個(gè)凹進(jìn)部分(4.1)，其中所述高度h在所述中心軸線M的方向上滿足以下要求:
0.2t< = h〈 = t0
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞(I)，其特征在于，所述凹進(jìn)部分(4.1)相對(duì)于所述周向U延伸角β的范圍，其中 β〈 = 180。or30〈 = β〈 = 90ο。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的活塞(I)，其特征在于，所述凹進(jìn)部分(4.1)相對(duì)于所述中心軸線M具有超出所述活塞凹部(2.2)的基部直徑d的徑向延伸范圍r，其中所述徑向延伸范圍r設(shè)置在所述高度h的至少50%上并滿足以下要求:
0.02〈 = r/D< = 0.1o
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的活塞(I)，其特征在于，設(shè)置了分布在所述周向U上的多個(gè)凹進(jìn)部分(4.1,4.2,4.3)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的活塞(I)，其特征在于，所述凹進(jìn)部分(4)包括對(duì)稱軸線(S)，且設(shè)定所述對(duì)稱軸線(S)與所述中心軸線M成角α， 其中 O。〈= a〈 = 30° or5°〈 = α〈 = 25°。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的活塞(I)，其特征在于，在所述活塞頂邊緣(2.2a)中引入至少一個(gè)氣門凹窩(5.1)，且所述凹進(jìn)部分(4.1,4.2)僅設(shè)置在所述至少一個(gè)氣門凹窩(5)的區(qū)域內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的活塞(I)，其特征在于，為每個(gè)氣門凹窩(5.1,5.2,5.3)設(shè)置一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或更多個(gè)凹進(jìn)部分(4.1,4.2)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的活塞(I)，其特征在于，所述凹進(jìn)部分(4，4’，4")對(duì)稱地布置在所述周向U上。
9.一種柴油發(fā)動(dòng)機(jī)(6)或火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)(6)或火花點(diǎn)火氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)(6),其具有在其中被引導(dǎo)的根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的活塞(I)。
【文檔編號(hào)】F02B23/06GK104254679SQ201380019693
【公開(kāi)日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2013年4月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月13日
【發(fā)明者】R·伯溫, E·德雷霍布爾, C·德雷科斯勒, M·拉普 申請(qǐng)人:卡特彼勒能源方案有限公司