发动机活塞的制作方法

本发明总体上涉及内燃机，并且更具体地涉及在发动机孔内操作的活塞。

背景技术：

内燃机通常包括通过连接杆与曲轴互连的一个或多个活塞。活塞通常设置成在形成于曲轴箱中的孔内往复运动。典型的活塞包括头部和裙部，头部至少部分地在每个孔内限定燃烧室，裙部通常包括销开口和用于连接到发动机的连接杆的其他支撑结构。通常，活塞形成为具有大致杯形形状，其中活塞头形成基部，并且裙部连接到基部并且围绕活塞的封闭通道。在典型的应用中，来自发动机的润滑油在操作期间设置在活塞的通道内，以对流冷却和润滑活塞的各个部分。

典型的活塞头还包括外圆柱形壁，其具有形成在其中的一个或多个周向连续凹槽。这些凹槽通常彼此平行地延伸，并且尺寸适当地设计成将密封环容纳在其内。这些密封环在每个活塞和其在内部工作的曲轴箱孔之间形成滑动密封。通常，最靠近活塞的裙部定位的凹槽容纳刮油环，刮油环布置成在活塞的向下冲程期间刮擦附着在活塞孔的壁上的油。在活塞的下冲程之后可保持润湿孔壁的油可进入燃烧室并在发动机的运行期间燃烧。

通常，活塞通过在形成于发动机的汽缸壳体中的孔内往复运动而运行，这产生可压缩提供在其中的燃料/空气混合物的可变容积。燃烧的燃料/空气混合物膨胀并推动活塞以增大可变容积，从而产生功率。燃料可以直接或间接地提供在可变容积内，而空气和废气通过一个或多个进气门和排气门提供或从可变容积移除，所述进气门和排气门选择性地将可变容积与进气收集器和排气收集器流体地连接。

选择用于构造发动机汽缸、活塞、与可变容积相关联的各种阀、以及其他周围发动机结构的材料，以承受发动机运行期间存在的高温和高压。活塞的各种特征还成形为促进活塞内的燃料的有效燃烧、与发动机汽缸相关联的各种发动机部件的可靠性、以及其他考虑。然而，总是期望增加这些和其他发动机部件的可靠性和使用寿命，并且在减少燃料消耗和排放以及增加功率和效率方面促进发动机的有效运行。

在美国专利No.7,942,126(’126专利)中可以看到具有成形的特征以促进有效燃料燃烧的发动机活塞的一个示例，该专利涉及“Method for Operating an Internal Combustion Engine and Internal Combustion Engine for such a Method(用于操作内燃机的方法和用于这种方法的内燃机)”。’126专利描述了一种具有一体地形成在其中的活塞凹部的活塞顶部，该活塞凹部过渡到基本上环形的阶梯状空间中，以及形成指向该阶梯状空间的喷射流的喷射器。

根据’126专利，喷射流被阶梯状空间偏转成第一部分燃料量，该第一部分燃料量沿轴向方向和径向方向被引导到活塞凹部中，并且第二部分燃料量在活塞顶部上沿轴向方向和径向方向被偏转，以及第三部分燃料量被偏转到周向方向，以便在周向方向上彼此撞击并且径向向内偏转。如可以理解的，对于如所描述的’126的发动机的运行，喷射开始和喷射持续时间必须彼此精确地协调并且与内燃机的曲柄角精确地协调。然而，这种协调使得难以在广泛范围的发动机运行条件和诸如温度的环境因素(其可能影响发动机操作)上有效地操作发动机。

技术实现要素：

在一个方面，本发明描述了一种用于内燃机的活塞。该活塞包括形成冠部和裙部的活塞体。裙部包括销孔，该销孔布置成接收用于将活塞连接到连接杆的销。裙部还形成沿着裙部的外边缘的两个引导表面。冠部形成围绕冠部的大致圆柱形表面，以及围绕冠部的与裙部相对设置的端部延伸的大致平坦的冠面。在冠面中并且在所述大致圆柱形表面内形成有大致凹形碗部，该大致凹形碗部相对于冠部的对称轴线围绕活塞体对称地延伸。大致凹形碗部形成沿着大致凹形碗部的侧边缘以阶梯状构造布置的第一唇部和第二唇部。冠部还形成具有大致环形形状的凹陷平台。凹陷平台包括沿着与由大致平坦的冠面限定的平面平行的平面延伸的平坦的环形表面，并且凹陷平台设置在大致平坦的冠面和大致凹形的碗部之间。

附图说明

图1是根据本发明的活塞的不完整视图。

图2是图1中所示活塞的横截面的放大细节。

图3是图1中所示活塞的局部剖视图。

具体实施方式

本发明涉及用于内燃机中的活塞。在一个方面，本发明描述了一种用于发动机活塞的实施例，其具有能够建立流场和湍流以在比先前的活塞设计可获得的曲轴角度更宽的范围内促进燃料在汽缸内燃烧的特征。根据发动机操作的类型(例如火花点火或压缩点火)，活塞的这些特征可以操作以容纳、混合和/或引导活塞内的各种含燃料的质量，从而提高发动机效率，减少热消耗，缩短燃烧时间，以及控制部件温度，从而提高部件的可靠性和使用寿命。如本文所讨论的，材料在汽缸内的混合或引导可能发生至少一瞬间，并且可能持续不超过千分之几秒，同时在汽缸内或者在该期间的部分上存在燃料和/或燃烧火焰的喷射。

为了说明根据本发明的发动机活塞的某些特征，图1中以侧视图示出了用于发动机的活塞100的局部剖视图。活塞100包括冠部102和裙部104。裙部104形成容纳用于将活塞枢转地连接到连接杆(未示出)的销(未示出)的销孔106，该连接杆以已知方式连接到发动机曲轴(未示出)。裙部104还包括设置在活塞100的径向相对侧上的两个引导表面105。在可替代实施例中，引导表面可以集成为基本上围绕活塞延伸的单个引导表面。在所示实施例中，两个引导表面105至少沿着活塞的包括活塞横截面103的横截面延伸，活塞横截面如图1所示并且垂直于销孔106的中心线C/L。在活塞100的任一侧上，两个引导表面105可以在活塞周边的两个角部分上延伸。

冠部102形成彼此平行延伸的一系列通道，所述通道可容纳活塞环、刮油环和其他部件。在所示的实施例中，在外圆柱形壁109中形成两个活塞环凹槽110和一个油收集凹槽111。活塞环凹槽110容纳环形密封件(未示出)，所述环形密封件可滑动地且大致密封地接合发动机汽缸的壁，活塞100可往复地设置在发动机汽缸中，并且油收集凹槽111收集油，然后允许油流回到发动机中。两个引导表面105的外径布置成使得防止活塞在运行期间在可往复地设置在其中的孔内旋转或结合。

关于活塞100的其他功能特征，参考图1中所示的活塞100的方向，冠部102形成通常具有凹形形状的碗部114。碗部114由边缘116围绕。边缘116相对于环形形状的平坦冠面118居中设置。冠面118围绕碗部114的边缘116设置。图3中示出了碗部114的详细截面图，图2中示出了碗部的侧部的放大细节视图。从这些图中可以看出，碗部114形成围绕凹陷108的截头圆锥形中心部分117，该凹陷居中地位于碗部114中，当活塞100安装中发动机中并且在汽缸中占据上止点位置时，碗部可容纳喷射器末端(未示出)。边缘116、中心部分117和凹陷108在所示的实施例中都相对于碗部114的对称轴线112(图3中所示)同心地设置。截头圆锥形中心部分117可围绕对称轴线112并相对于对称轴线以大约120度的夹角β形成。因此，如图所示，作为圆锥形中心部分117的斜面和冠面118之间的锐角的底角α(图3中所示)为30度。

碗部114有利地形成沿其外部的各种特征，其用于改善发动机运行并允许在宽范围的发动机曲轴角度上喷射燃料。在图1至图3所示的实施例中，碗部114形成凹陷平台200，该平台环形地围绕碗部114相对于边缘116紧接着径向向内延伸。更具体地，凹陷平台200是环形形状的平坦表面，其沿着与由冠面118限定的平面平行的平面延伸。外或第一倒角表面202相对于对称轴线112沿着凹陷平台200的径向外边缘形成在边缘116和凹陷平台200之间。第一倒角表面202以第一半径R1(图3中所示)形成。

凹陷平台200包括围绕凹陷平台200的整个径向向内周边环形地延伸的内边缘204。在所示实施例中，内边缘204形成为具有大约1mm或更大的半径的倒角表面。凹陷平台200的内边缘204提供凹陷平台200和第一表面206之间的过渡。在图中所示的活塞100的方向中，第一表面206形成在碗部114的外边缘的最上部区域，即，沿着对称轴线112最接近冠面118的区域。如图所示，第一表面206具有以半径R4形成的大致凸形形状，但是可替代地可以具有凹形或圆锥形横截面轮廓。

在径向向内部分处，第一表面206形成具有大致凸形形状的第一唇部208。第一唇部208围绕碗部114周向地延伸并相对于内边缘204和第一表面206径向向内延伸。第一唇部208将第一表面206与第二表面210分开。第二表面210具有以第二半径R2(图3中所示)形成的大致凹形形状。在径向向内(或相对于碗部向下)边缘处，第二表面210形成第二唇部212。第二唇部212将第二表面210与第三表面214分开。第三表面214具有以第三半径R3(图3中所示)形成的大致凹形形状。第三表面214在第二唇部212和中心部分117之间延伸，该中心部分以平滑方式与第三表面214相切地(如图所示)相交。

如可以理解的，活塞100的各种特征部的尺寸可以取决于各个参数，包括活塞100的总直径、将使用活塞100的发动机的期望压缩比等。然而，可以以特定几何比率或比率范围形成各种特征部，以实现期望的结果。

为了进一步说明活塞100的各种特征部的运行，应当理解，活塞将在具有燃料喷射器的发动机中运行，燃料喷射器被设置和配置成将燃料直接喷射到发动机的燃烧汽缸中，活塞在燃烧汽缸中往复地运行。如已知的，活塞在发动机汽缸内的轴向位置与发动机曲轴的旋转角度相关。这样，活塞在汽缸内的轴向位置的特定范围也可以与曲轴相对于特定相应汽缸的旋转的特定范围相关。还应当理解，在发动机运行期间用于将燃料提供到汽缸中的喷射器被构造成在运行期间在特定位置和时间将一个或多个燃料流喷射到汽缸中。已知燃料喷射器具有以相对于汽缸孔中心线的特定角度提供燃料射流的喷嘴开口。通常在离开喷射器末端时以圆锥形方式开放的那些射流限定了大致圆柱形的燃料羽流，其可以沿着汽缸孔中心线在各个轴向位置处具有羽流直径。可以作为单个流的集合开始的羽流可能需要一些时间，例如0.7ms，以在喷射事件开始之后完全发展或变得稳定。

因此，活塞的各种特征部包括内径d(图3中所示)，其通常由第二表面210的径向最外点限定，并且与凹陷平台200的内边缘204相邻。内径d围绕碗部114的大致凹形部分，并且可以选择成使得其与提供燃料进入活塞100正在运行的汽缸中的特定曲轴角度范围的稳定燃料羽流的直径一致(即等于或大于)。围绕第一倒角表面202的外边缘延伸的外径D可以相对于内径d基于期望的比率来选择。在所示实施例中，对于活塞100的标称尺寸，比率D/d等于0.24。其他尺寸包括从销中心点到第一唇部208测量的大约65度的角度γ(图1中所示)。

在所示实施例中，第二表面210的第二半径R2和第三表面214的第三半径R3相等。当考虑用于形成曲面的它们各自的中心点的高度时，相对于碗部114中的最低点而言，对于第三表面214的中心点的高度H2(图3中所示)为对于第二表面210的中心点的高度H1(图3中所示)的66％。关于半径R2和R3，每个半径被选择为使得R2＝R3＝0.197*d，其中d表示上述内径d。凹陷平台200相对于冠面118的深度h(图3中所示)选择为内径d的大约6％。凸形第一表面206的半径R4选择为等于半径R2和R3。最后，基于内径d，根据以下关系式选择直径R2、R3和R4：d＝117.5/2*R，其中R＝R2、R3或R4。

工业实用性

本发明可应用于用于内燃机的活塞，其可用于任何应用场合，例如基于陆地或海洋的应用场合，以及用于移动或固定的应用场合。已经发现，本文所述的针对活塞特征部的各个实施例通过增加功率输出、降低燃料消耗并且还减少排放在改善发动机运行方面具有优势。

通常，活塞100形成运行以重定向和/或容纳汽缸内的各种移动质量的各种特征部。有利地，活塞100运行，使得碗部114形成凹入的碗部，其对延迟的喷射定时具有更高的公差。再次进入描述了将燃料喷射到形成在活塞顶部(例如活塞碗部114)的大致凹形特征部中的条件，其迫使移动的燃料和空气质量在碗部内循环并提供比其他发动机产生更低排放的更完整和有效的燃烧。在本文所述的实施例中，碗部特征部运行以分开当活塞接近汽缸中的上止点位置时提供给汽缸的热喷射燃料羽流，并且热喷射燃料羽流还可以在活塞接近上止点位置(例如，引燃喷射事件)和/或移动远离上止点位置(例如，燃烧冲程期间的后喷射事件)提供。换句话说，碗部114有利地被构造成增加曲轴角度的有益范围，在该范围内，喷射到汽缸中的燃料将受益于活塞的再次进入特征部，以降低发动机排放并提高燃料效率。

假定可以实现有益的燃料再次进入特征部的增大范围是由形成碗部内的阶梯唇部特征部产生的，在所示实施例中，阶梯唇部特征部被表示为第一唇部208和第二唇部212，如图2所示。碗部的侧部(其也可称为侧缘)通过结合第二表面210和第三表面214而形成双径，每个表面至少部分地在碗部内限定环形空腔的凹形形状。这些环形空腔被认为在喷射事件期间被推入其中的燃烧的燃料/空气混合物中产生涡旋和湍流运动，这有助于将额外的空气混合到燃烧的燃料中，从而通过氧化这些物质以产生更完全的燃料燃烧，有助于消除未燃烧或部分燃烧的燃料和燃烧产品兜。

作为另外的优点，通过将燃料引导和/或大致限制在汽缸的中心区域中，在发动机运行的这些时间期间，燃料羽流、燃料雾化云和/或燃烧燃料的火焰可以以减少各种周围的汽缸内燃烧表面暴露于火焰温度的方式按照流动方向和材料耗散改变方向。通过使汽缸表面与火焰温度绝缘，可以减少所保留的到周围发动机部件的金属的热和热传递，这进而可以向发动机提供更高的功率输出和/或更高的功率密度，并且还改善部件可靠性和使用寿命。在所示实施例中，活塞100通过在碗部中和周围形成的特征部的组合效果实现了沿着冠面118的流动分离和中碗部114内的材料湍流。

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