提供活塞顶部的结构单元的制作方法

本发明涉及一种用于内燃发动机的活塞，并且具体涉及用于流体动态调节的内燃发动机的影响流动的活塞顶部构型。

背景技术：

内燃发动机在运转期间会排放有害的氮氧化物(“NOx”)。这些氧化物在氮和氧——用于燃烧的进气中存在这两者——在主燃烧室内反应时形成。一般地，NOx形成的水平随着燃烧室内的峰值燃烧温度上升而增加。因此，最大限度地降低主燃烧室内的峰值燃烧温度通常减少NOx的排放。

例如，在运行气态燃料的内燃发动机中可以使用较稀的进气-气态燃料混合物以降低主燃烧室内的峰值燃烧温度，因而它们可降低有害NOx的排放量。尽管稀进气-气态燃料混合物可——由于其与具有理论空燃比的气体混合物相比通过使用混合物中的更多空气而相对大的空燃比——而有利地降低NOx排放，但它也会引起主燃烧室内的不完全燃烧和进气-气态燃料混合物的不良点火性能。

一般而言，可使用预燃室系统来最大限度地减少不完全燃烧的发生。一般而言，预燃室经由小的流传递通路与内燃发动机的主燃烧室流体连通。预燃室内的燃料的点火形成经流传递通路喷射到主燃烧室内的燃烧燃料的火焰前沿，其中相应的点火射流点燃主燃烧室内的稀进气-气态燃料混合物。

尽管燃烧的点火射流的火焰前沿通常可足以引起主燃烧室内的稀进气-气态燃料混合物的完全燃烧，但一般而言，增浓的预燃室自身可产生由于预燃室内的理论配比或低于理论配比的燃烧而导致的大量NOx排放物。

类似的考虑应用于使用燃料喷射器以用于将燃料射流喷射到燃烧室内的运行液体燃料的内燃发动机。

特别地，对于中速内燃发动机而言，活塞组件的特征包括具有提供活塞顶部的结构单元和活塞裙部结构单元的活塞自身、安装在例如设置于提供活塞顶部的结构单元的外表面处并通过环岸分离的环槽上的一个或多个活塞环、和用于经由活塞销将活塞安装在活塞杆上的活塞销孔。活塞顶部包含活塞的顶面(最接近气缸盖)。

活塞在上死点位置(TDC)与下死点位置(BDC)之间在气缸或气缸套内往复移动，由此界定出燃烧室。在发动机运转期间，活塞顶面承受燃烧过程和相应产生的热。

在中速四冲程燃烧发动机中，活塞顶部可包括包围活塞碗的冠部结构。由于该冠部结构，顶面包括在活塞TDC尽可能接近相对的气缸盖表面以减小不承受燃烧的容积的边沿面。由此，避免或至少减小了任何死容积。顶面还包含活塞碗的内表面。该内表面包含沿着冠部结构延伸的侧壁面和碗底部处的底面。

在TDC处，活塞碗连同气缸盖表面的相应部分一起大致界定出于其最小尺寸的燃烧室。

一般而言，中速四冲程内燃发动机可利用液体燃料如柴油或重燃料油和气态燃料如天然气运行。此外，已知利用液体燃料或气态燃料运行的中速双燃料发动机。在相应液体燃料运行期间，液体燃料在TDC之前被提供给燃烧室——例如经由点火喷嘴——以形成燃料空气混合物。燃料空气混合物可以自行点燃或可通过火花塞点燃。在相应的气态燃料运行期间，可通过喷射点火量的液体燃料如柴油——其然后由于燃烧发动机内的压力而点燃——来点燃进气-气态燃料混合物。或者，如上所述，预燃室构型允许点燃预燃室内的少量燃烧混合物并且将点燃的混合物释放到(主)燃烧室内。

一般而言，一项任务是提供明确限定并使用例如全部或至少大部分燃料的燃烧过程。特别地，燃烧的起始阶段在这方面影响燃烧过程。

本发明至少部分针对于改善或克服现有系统的一个或多个方面。

技术实现要素：

根据本发明的一方面，一种用于内燃发动机的活塞的提供活塞顶部的结构单元包括活塞冠部结构，该活塞冠部结构提供该提供活塞顶部的结构单元的顶面和周面，其中，关于活塞的中心轴线，顶面构造成相对于内燃发动机的燃烧室轴向地界定出提供活塞顶部的结构单元并且周面构造成径向地界定出提供活塞顶部的结构单元。此外，顶面包括围绕中心轴线延伸的边沿面和在周面内径向地界定出活塞碗的内表面。内表面包括活塞碗的最低位置的区域、大致沿中心轴线的方向从最低位置的区域的第一边界区段延伸到边沿面的第一侧壁面、从最低位置的区域的第二边界区段凸起以形成不对称的活塞碗底部的偏斜底面、和大致沿中心轴线的方向从偏斜底面的相应边界区段延伸到边沿面的至少一个第二侧壁面。

根据本发明的另一方面，一种内燃发动机包括气缸单元、与气缸单元相关的至少一个进气阀(气门)、与气缸单元相关的至少一个排气阀、以及设置在气缸单元内并具有如上所述的提供活塞顶部的结构单元和活塞裙部单元的活塞。

本发明的其它特征和方面将从下文的描述和附图而显而易见。

附图说明

结合在本文中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的示例性实施例，并连同说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1示出用于内燃发动机的活塞的第一示例性构型的俯视图；

图2示出图1的活塞的侧视图；

图3示出用于内燃发动机的活塞的第二示例性构型的俯视图；

图4示出图3的活塞的侧视图；

图5示出用于内燃发动机的活塞的第三示例性构型的侧视图；

图6示出用于在TDC之前产生滚流的气缸单元的第一示例性构型的 剖视图；

图7示出用于在TDC产生滚流的气缸单元的第二示例性构型的剖视图；

图8示出具有不对称的凸起的碗底部的活塞的冷却构型的第一示例性构型的剖视图；以及

图9示出具有不对称的凸起的碗底部的活塞的冷却构型的第二示例性构型的剖视图。

具体实施方式

以下是本发明的示例性实施例的详细描述。文中所述和附图所示的示例性实施例旨在教导本发明的原理，从而使本领域的普通技术人员能够在许多不同的环境中并针对许多不同应用实施并使用本发明。因此，示例性实施例并非旨在成为且不应该被认为是对专利保护范围的限制性说明。确切而言，专利保护范围应该通过所附权利要求来限定。

本发明可至少部分基于以下认识：提供活塞碗的不对称的凸起的碗底部可支持更有效的燃烧，特别是通过在燃烧室的大容积部分上开始燃烧。此外，认识到这种不对称的凸起的碗底部可改善燃烧混合物或进气与点火射流或液体燃料射流的混合。

此外，认识到在用于中型到大型内燃发动机的活塞中——例如，在具有处于从180mm至600mm的范围内的直径的活塞中——实施不对称的凸起的碗底部还可允许提供碗底部的补偿冷却、活塞的平衡重量和/或由于大尺寸而引起的刚性结构，因为这些可允许提供不对称结构，特别是冷却结构。

以下尤其结合图1至6说明尤其用于中型到大型内燃发动机的活塞的不对称的凸起的碗底部的各种示例性构型。结合图6和7描述利用这种不对称的凸起的碗底部而在燃烧室中的滚流的可能产生。图8和9涉及冷却构型。在各图中，同样的附图标记可用于相同或相似的结构构件或区段，以简化理解。

图1和2分别示出用于内燃发动机的活塞的第一构型的俯视图和侧视图。具体地，图1示出用于内燃发动机的活塞组件的示例性活塞100。安装在气缸单元(还参见图6和7)内的活塞100连同气缸盖的对向区段和例如气缸套的内侧壁一起界定出燃烧室。通过燃烧室内的燃烧而被反复驱动，活塞100在TDC与BDC之间在气缸(或气缸套)内往复移动。

例如，内燃发动机可以是气态燃料奥托发动机、柴油发动机、可利用液体燃料和气态燃料运行的双燃料发动机、或可使用例如重燃料油、柴油、气态燃料和/或替代燃料运行的多燃料发动机。

如图2中特别示出的，活塞100包括提供活塞顶部的结构单元102和活塞裙部结构单元104。提供活塞顶部的结构单元102的顶面106界定出燃烧室，而提供活塞顶部的结构单元102(和活塞裙部结构单元104)的周面108一般而言可提供相对于衬套的内表面的密封和沿该内表面的引导。通常，由于活塞100的圆筒形状，提供活塞顶部的结构单元102和活塞裙部结构单元104也具有圆筒套状的周面108。

在一些实施例中，提供活塞顶部的结构单元102和活塞裙部结构单元104可作为单独的部件形成，通常称为活塞顶部和活塞裙部。活塞顶部和活塞裙部可螺栓连接在一起以允许常规地更换承受具有高温的燃烧过程和化学活性燃烧气体的活塞顶部。在一些实施例中，提供活塞顶部的结构单元102和活塞裙部结构单元104可作为单个部分形成。

在一些实施例中，活塞100可提供用于安装活塞环(未示出)以确保例如燃烧室的正确密封的环槽110。如图2所示，环槽110可设置例如于提供活塞顶部的结构单元102与活塞裙部结构单元104之间的过渡部处并通过环岸112分开。

此外，活塞100允许经由用于安装活塞销的轴承113将活塞100附接到活塞杆上以驱动曲轴(未示出)。

对于基于冷却剂的活塞100的冷却而言，可例如经由活塞杆将诸如油的冷却剂引导到活塞100的内部。这里，冷却剂可被分配到冷却剂引导结构(未示出)，其中冷却剂接收来自承受由燃烧过程产生的热的提供活塞 顶部的结构单元102部分的热。冷却剂引导结构至少部分地集成在提供活塞顶部的结构单元102中并且还可部分地集成在活塞裙部结构单元104中。

下面结合图8和9描述示例性冷却引导结构。一般而言，冷却剂引导结构可被构造为使诸如油的冷却剂经其中传播的通道系统和/或包括钻孔(所谓的摇晃腔/室)，其中冷却剂在活塞100的往复运动期间上下摇晃。该通道系统还构造成使油返回主冷却油系统(未示出)。

特别是对于中速四冲程发动机而言，提供活塞顶部的结构单元102包括成形为形成顶面106并在其中限定出活塞碗118的冠部结构116。这里公开的用于顶面106的形状的概念尤其可影响燃烧室内的流动。

如图2所示，冠部结构116围绕中心轴线119延伸。这里，如技术人员理解的，轴向取向通常是指中心轴线119。

由于冠部结构116的冠状形状，顶面106包括通常以圆形方式并相对于中心轴线119共轴地包围活塞碗118的边沿面120。在内燃发动机运行期间，边沿面120在TDC尽可能接近相对的气缸盖表面以减小未发生燃烧的容积。由此，避免或至少减小了死容积并且还可针对大的活塞直径增大压缩比。

在TDC，活塞碗118连同对向的气缸盖表面的相应部分一起形成当燃烧室具有其最小尺寸时的燃烧室(还参见图8)。

顶面106还包括活塞碗118的内表面。内表面包括与边沿结构形成冠状形状的大体轴向延伸的侧壁区段和形成活塞碗118的碗底部122的底部区段。

这里公开的概念基于如图2中用虚线示意性地表示的不对称的凸起的碗底部122。结合以下附图，公开了活塞碗118和碗底部122的示例性形状，其例如允许在往复运动期间在燃烧室内形成进气-燃料混合物的特定滚流。滚流可构造成以所需的时间规律引起大致达到进气-燃料混合物的完全量或增加量的燃烧过程。这尤其由于点火射流或液体燃料射流的特定构型以及相对于进气阀和排气阀的取向而是可能的，如例如在名称为“COUNTER FLOW IGNITION IN INTERNAL COMBUSTION ENGINES(内燃发动机中的对流点火)”并由申请人同日提交的欧洲专利申请中所公开的。

再参照图1和2，活塞碗118具有深度T，其中该深度是从活塞碗118的边沿面120到最低位置124限定的。在一些实施例中，最低位置124可存在于如图2中示意性地示出的最低位置124的区域126处。对于中速内燃发动机，深度T可处于例如从约5mm至约50mm的范围内，特别地，对于大型内燃发动机，深度T可处于从约25mm至约50mm的范围内。

如图1的示例性实施例中所示，活塞100用于每个气缸具有两个进气阀(气门)12、14和两个排气阀16、18的内燃发动机中。所述阀可以是提升阀(锥阀)并且阀的示例性位置在图1中用虚线圆表示。一般而言，内燃发动机可包括或多或少的进气阀和排气阀。

如图1所示，最低位置124的区域126处于进气阀12、14侧(还参见结合图8的描述)。在阀的另一取向上，最低位置124的区域126相对于活塞位于排气阀16、18侧(还参见结合图7的描述)。如对技术人员而言将显而易见的，这些取向将——例如，还结合气门正时——影响燃烧室内的流动。

在一些构型中，顶面106可包括用于这些阀的相应的阀座凹窝。在图2中，示例性阀凹窝12’和16’分别针对进气阀12和排气阀16被示意性地示出。阀座凹窝通常构造成在活塞100处于TDC时至少部分地接纳相关的阀盘(未示出)。

最低位置124的区域126可相对于中心轴线119大致正交地延伸并且可如图1所示形成活塞碗118的内表面122的一部分。一般而言，最低位置124的区域126相对于中心轴线119不对称地设置。

区域126可与图1中作为点划线示出的边界线128相关。在边界线128的第一区段128A处，区域126经由大致沿中心轴线119的方向延伸的第一(轴向)侧壁面130与边沿面120连接。在此上下文中，“大致”意味着第一(轴向)侧壁面130的取向相对于中心轴线119在从0°至50°的角范围内，例如在从10°至40°的范围内，或甚至以底切方式(至少截面 方向具有在从例如-40°至0°的范围内的角度方式)。边沿面120与第一(轴向)侧壁面130之间的过渡部以及侧壁面130与区域126之间的过渡部可通过在过渡部处设置一些具有在例如从1mm至约50mm的范围内的半径(在图2中分别表示为半径R1、R2)的弯曲部而被平滑化。一般而言，半径R2可大于(例如在从4mm至15mm的范围内)半径R1(例如，在从例如20mm至50mm的范围内)。

在边界线128的第二区段128B处，区域126经由偏斜底面132与边沿面120连接。如图2的侧视图中所示，偏斜底面132相对于中心轴线119倾斜。偏斜底面132例如可以是平面的或稍微弯曲的。

在图1和2所示的实施例中，偏斜底面132轴向向上延伸到边沿面120的高度并且可以以在从例如5mm至30mm的范围内的一定曲率半径R2平滑地过渡到其中。相应地，边沿面120朝中心轴线119延伸，从而引起相对于偏斜底面132的直线延伸的过渡(图1中的虚线133)。

如图1中通过双点划线132A和132B进一步示出的，偏斜底面132在侧面经由第二轴向侧壁面134A、134B与边沿面120连接。关于第一侧壁面130，第二(轴向)侧壁面134可大致沿中心轴线119的方向延伸并且边沿面120与相应的第二侧壁面134之间的过渡部可通过在过渡部处设置的在从5mm至30mm的范围内的曲率半径而被平滑化。

如技术人员将理解的，详细说明的各个方面和考虑也将通常适用于本文公开的概念，尽管仅关于特定构型公开或提及以便不负荷过多相应附图并避免重复的公开。例如，诸如针对图1和2以及图8和9描述的偏斜底面的曲率半径大小和冷却的方面将同样适用于结合图3至6描述的构型。类似地，结合图3至6描述的各个方面和考虑将适用于结合例如图1和2描述的构型。

参照图3和4，示出了活塞100的又一个实施例，其中关于轴向延伸范围和径向延伸修改了偏斜底面132的范围。

在图3中，示出了由边沿面120围绕的活塞碗118的开口区域138。在图4中示出了相应直径d和活塞100的直径D。对于中速大型内燃发动 机而言，活塞碗118的开口区域138的直径d可处于从例如约50mm至例如约550mm、尤其从约100mm至约450mm的范围内，并且活塞100的直径D可处于从例如约180mm至约600mm、尤其从约200mm至约500mm的范围内。例如，开口区域138的直径d与直径D的比率可处于例如从约0.3至约0.8的范围内。

区域126可具有可高达例如约50％的开口区域138的尺寸(在径向延伸范围内)。相应地，偏斜底面132的尺寸可从约20％扩大至100％。因而，偏斜底面132可大致在整个开口区域138上延伸，从而引起最低限度的区域126的线状或甚至点状延伸。特别地，偏斜底面132从区域126到边沿面120的延伸可处于从开口区域138的约40％至约100％的范围内。相应地，沿凸起方向在径向上的延伸可处于从开口区域138的直径d的约40％至约100％的范围内。

活塞碗118的深度T与活塞100的直径D的比率可处于例如约0.03至约0.2的范围内，其中直径D可处于例如从约180mm至约500mm的范围内。

示例性地，该构型在图4中被显示为区域126为开口区域138的约5％。此外，该构型被显示为不具有任何阀凹窝。

此外，在图3和4的构型中，活塞碗118可包括周向延伸的侧壁区段，使得其中形成了台阶140。相应地，第三轴向侧壁面134C(朝向第一侧壁面130)在图3和4中被示出。台阶140的高度Ts可处于从活塞碗118的高度T的10％至50％的范围内。

台阶140的第三轴向侧壁面134C可以以如上文例如结合第一(轴向)侧壁面130说明的相应半径值过渡到边沿面120和偏斜底面132中。

在图5中，示出了大致连续的弯曲的碗底部122，其具有形成区域126的较大曲率的区域122A和大致形成偏斜底面132的较小曲率的区域122B。除弯曲的偏斜底面132之外，该构型可与图1和2所示的构型相似。设置连续地弯曲的碗底部允许使例如进入的进气平滑地偏斜以形成滚流。侧壁或边沿面120的相应过渡部可再次通过相应曲率半径而被平滑化。

此外，图1、3和5所示的示例性构型可具有径向对称的活塞碗118。例如，在图3中，镜像轴线142被示出为用于各对进气阀12、14和排气阀16、18的对称线。换言之，镜像轴线142经过中心轴线119正交于直线地设置的进气阀(直线地设置的排气阀)延伸。然而，根据阀的构型，技术人员也可以考虑非镜像对称的构型。

参照图6和7，针对相应地具有几何形状不同的侧面的不对称活塞示出了例如滚流的产生。一般而言，进气阀可设置在不对称活塞的一侧并且排气阀可设置在不对称活塞的相对侧。于是，具体地活塞碗的不对称形状允许相对于阀将活塞安装成使得例如进气将在偏斜底面侧进入燃烧室。相应构型在图6中示出。类似地，活塞可安装成使得，例如，进气将如图7所示在活塞碗的最深深度的区域侧进入燃烧室。

图6示出内燃发动机的气缸单元141，其中示出了在燃烧室143进气时——即在TDC之前——活塞100的位置。燃烧室143在侧向由安装在内燃发动机的发动机缸体146上的气缸套144的内表面144A界定。在轴向上，燃烧室143在一侧由可移动活塞100界定且在另一侧由气缸盖148的表面区段148A界定。

在图6中，进气进入位置用箭头150A表示且排气泄放位置用箭头150B表示。

由于进气将与不对称的碗底部122的倾斜面相遇，所以流将向最低位置124的区域126偏斜。然后，它将如箭头152所示沿第一(轴向)侧壁面130被向上引导。因此，在燃烧室143的进气期间将形成滚流，该滚流甚至将被维持到点火发生为止。

图7示出活塞100相对于阀的另一取向。具体地，气缸单元141在活塞的位置处于TDC下被示出。燃烧室143于是主要由活塞碗118形成，活塞碗118由气缸盖148的表面区段148A的中央部覆盖。边沿面120非常接近气缸盖148，因此燃烧室143在边沿面120上方的延伸范围可由于本文的考虑而被忽略。

作为示例，进气进入位置用箭头154A表示且排气泄放位置用箭头 154B表示，尽管阀在TDC可关闭。不过，由于进气阀相对于不对称活塞100的取向，滚流用箭头156表示，这种情况下滚流沿与图6的旋转方向相反的旋转方向翻滚。

由于活塞碗118的不对称通过偏斜底面从最低位置区域凸起而产生，活塞100的各种特征也会变得不对称，例如所需要的冷却几何机构、活塞刚度和重量分布。

结合图8和9说明冷却构型的示例性实施例。这些构型还可影响活塞刚度和重量分布。例如，在图8和9中，示意性地应用用于提供活塞顶部的结构单元的可能的重量平衡。如将显而易见的，对于镜像对称构型，可主要沿镜像对称轴线执行重量平衡。附加地或替代地，可通过调节活塞裙部结构单元的重量来执行相应重量平衡。如图8中进一步示出的，例如，通过在冷却室内引入肋，可以提供不对称活塞的刚度。

具体地，图8示出附接在两部分活塞的活塞裙部162上的活塞顶部160的剖视图。活塞顶部160对应于提供活塞顶部的结构单元，而活塞裙部162对应于活塞裙部单元。示例性地，示出了在顶面106处由边沿面120包围的不对称活塞碗118。

如图8中可见的，活塞碗跨剖切平面的不对称引起不同的轴向延伸范围，其可充填有材料。特别地，在区域126，离活塞裙部162的距离在偏斜底面132的凸起部分处较小。因此，散热以及质量分布和刚度可变化。

如图8中还可见的，冷却剂引导结构部分地集成在活塞顶部160中。具体地，活塞顶部160包括用于形成在活塞顶部160的径向内区段内延伸的内冷却室164的内冷却室表面164A。内冷却室表面164A至少部分地顺循偏斜底面132的倾斜度，由此尤其在至少某一径向部分中提供内冷却室表面164A与偏斜底面132之间大致恒定的材料厚度。因此，该径向部分中的冷却效率大致相当。

在图8中，冷却剂引导结构还包括周向冷却容积166。通常，周向冷却容积166经由通道流体连接，一些所述通道利用内冷却室表面164A处的通道开口171示意性地示出。如图8和9中可见的，周向冷却容积166 在偏斜底面132过渡到边沿面120中的一侧比在区域126所位于的一侧大。

在图8的实施例中，活塞顶部160提供冷却剂引导结构，该冷却剂引导结构包括用于形成周向冷却通道168的周边冷却通道表面168A。周向冷却通道168较大且因而在偏斜底面132过渡到边沿面120中的一侧提供比在区域126所位于的一侧大的冷却容积。因此，在偏斜底面132过渡到边沿面120中的一侧更大量的材料可被更有效地冷却。此外，该重量可至少被部分地平衡。

此外，周向冷却通道168可构造成使得尤其周向冷却通道表面168A可包括如图8中针对偏斜底面132过渡到边沿面120中的一侧示意性地示出的一个或多个尤其径向延伸的肋结构170。类似的肋结构可允许稳定内冷却室164。

换言之，活塞顶部106(且一般地提供活塞顶部的结构单元)可包括不对称的外冷却通道以补偿不对称的顶面106带来的不对称。该补偿可涉及冷却效率、稳定性和重量分布。

在图9中，示出了替代的冷却剂引导结构，其基于形成摇晃腔的冷却孔172，其中冷却剂在如本领域中已知的那样在发动机运转期间轴向移动。鉴于不对称的活塞形状，冷却孔172的尺寸或数量可相对于它们与中心轴线119有关的周向位置(方位)而不同。

为了完整性，活塞裙部162(且一般地活塞裙部结构单元104)可用于对不对称的活塞碗带来的重量不对称的重量补偿。例如，可提供额外的重量或可从活塞裙部162不对称地去除材料。

在一些实施例中，周向冷却通道168可与冷却孔172一起延伸。

如图8和9中示意性地示出的，在运行期间，作为冷却剂的油可被提供给内冷却室164(箭头174)且然后被引导到周向冷却通道168，油从这里返回冷却系统(箭头176)。

在一些实施例中，外冷却通道的一部分至少部分地设置在边沿面120下方以至少部分地在周向冷却活塞的顶面。

工业适用性

如已结合图6和7特别说明的，这里公开的概念可允许产生滚流，该滚流尤其可用于在运行内燃发动机时产生对流点火构型。

如还已说明的，可执行结构改造以提供重量/冷却/刚性补偿的活塞。

尽管文中已描述了本发明的优选实施例，但可加入改进和修改而不脱离所附权利要求的范围。