专利名称:用于内燃机的活塞以及使用该活塞的内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于汽车等的内燃机的活塞，并且还涉及一种应用该活塞的内燃机。本发明尤其涉及对形成在活塞的顶面中的凹部的形状的改进，以使进气的翻转流保持在气缸内。
背景技术：
在混合气在燃烧室中燃烧以产生动力的常规内燃机(以下有时简称为“发动机”) 中，气缸中所产生的翻转流(纵向涡流)被有效地利用以提高燃料的燃烧效率，从而改善输出和废气排放、燃料消耗率等。也就是说，翻转流在气缸内搅拌以促进燃料的蒸发和雾化， 实现了燃烧室中的燃料的良好的燃料特性。
迄今为止，已经提出了积极地产生这种翻转流的多种结构。例如，公开号为 9-105330 和 11-2180 的日本专利申请(JP-A-9-105330 和 JP-A-11-2180 )公开了将进气口形成为翻转口。也就是说，通过在通向气缸的部分处将进气口的轴线设定得较靠近垂直方向，而将流入气缸中的进气的流线设定得较靠近垂直方向，这允许获得大的翻转流。
公开号为7-119472的日本专利申请(JP-A-7-119472)以及TO00/77361公开了在进气通道中设置翻转控制阀，所述翻转控制阀按照需要打开和关闭以在气缸中产生大的翻转流。具体地，进气通道被隔壁(隔板)分隔为两个上流路和下流路，并且设置了用于打开和关闭下流路的翻转控制阀。当需要在气缸中产生大的翻转流时(例如当发动机冷时)， 翻转控制阀被关闭而仅从上流路发送进气，因此流入气缸中的进气的流线被设定为较靠近垂直方向的方向，这允许获得大的翻转流。
具有用于积极地产生诸如上述翻转流的器件的发动机采用了形成有用于使翻转流保持在活塞的顶面(活塞顶头)中的凹部的活塞。例如，JP-A-9-105330公开了在面向排气阀的区域中形成大长度(在沿翻转流轴线(涡流的中心线)的方向上的尺寸)的凹部， 以及在面向进气阀的区域中形成具有小长度的凹部。JP-A-11-218(^6公开了在活塞顶面中形成圆形碗状的凹部。JP-A-7-119472公开了形成一如下的凹部从俯视图观察时，其在沿翻转流轴线的方向上的外周形状大致为弧形，且在垂直于翻转流轴线的方向上的外周形状为直线。WO 00/77361公开了在活塞顶面中形成一如下的凹部从俯视图观察时，其为大致矩形或大致梯形。通过在活塞顶面中形成这样的凹部，翻转流被活塞顶面引导以保持翻转流。
本发明的发明人发现常规的凹部形状不能实现最佳的翻转流，因此对将在活塞顶面中形成的凹部的形状进行了研究。他们还考虑了更适于产生有效的翻转流的活塞顶面的形状。详细的描述如下。
在凹部形成在活塞顶面中以保持翻转流的情况下，翻转流沿凹部的形状(弯曲的凹部的表面的形状)流动。因此，翻转流的外径大致是根据凹部的宽度(在垂直于翻转流轴线(涡流的中心线)的方向上的尺寸在进气阀和排气阀面向彼此的方向上的尺寸)来确定的。[0008]在翻转流的轴向上的中心区中产生的一部分翻转流(在活塞顶面的中心处产生的一部分翻转流，以下称为“中心翻转流”)在凹部宽度大的区域中流动，因此几乎不受缸膛内壁的影响而沿着凹部的形状流动。因此，通过将凹部宽度设定得较大而在翻转流的轴向上的中心区中产生具有相对大外径的翻转流。例如，在JP-A-11-2180 和JP-A-7-119472 中，通过将凹部的外周形状形成为在从俯视图观察到的曲线而在翻转流的轴向上的中心区中产生大的翻转流。
另一方面，在翻转流的轴向上的两个外侧区域中(在轴线的两侧)产生的一部分翻转流(在活塞顶面的两端处产生的翻转流，以下称为“侧翻转流”)受到在翻转流的轴向上相邻的缸膛内壁的显著影响。受到缸膛内壁影响的侧翻转流包括在垂直于翻转流轴线的方向上的气流(与中心翻转流的流线大致平行的气流)以及由于缸膛内壁的影响而朝向活塞顶面的中心侧的气流。
图12为具有典型形状的凹部“a”的活塞顶面的俯视图，其中，在凹部的表面附近流动的中心翻转流和侧翻转流的方向由箭头来指示。在附图中，“SE”表示中心翻转流。 "SAl ”和“SA2”表示侧翻转流，"SAl ”指示在垂直于翻转流轴线的方向上的气流，而“SA2” 指示由于缸膛内壁的影响而朝向活塞顶面的中心侧的气流。同样在图12中，“b”指示进气阀的位置，而“ c，，指示排气阀的位置。
根据缸膛直径、活塞运动速度等来均勻地确定给予从进气口流入气缸中的气体 (或混合气)的能量。也就是说，整个翻转流的流体能量是均勻的。因此，通过利用全部的给予能量来产生有效的翻转流从而在没有能量损耗的情况下产生在垂直于翻转流轴线的方向上的气流。
然而，由于实际上产生了如上所述受到缸膛内壁影响的翻转流尤其是侧翻转流 (参见图12中的侧翻转流SA》，给予能量中的某些能量被消耗以产生朝向活塞顶面的中心侧的气流。也就是说，一部分能量被消耗以产生除了在垂直于翻转流的轴线的方向上的气流以外的气流。
因此，在产生了这种朝向活塞顶面的中心侧的气流的情况下，不能获得足够的在垂直于翻转流的轴线的方向上的气流。另外，朝向活塞顶面的中心侧的翻转流与中心翻转流互相干涉，这浪费性地消耗了中心翻转流的流体能量。
为了防止产生这种朝向活塞顶面的中心侧的气流，可以想到其它结构，其中活塞顶面中的凹部不形成在缸膛内壁的附近。这种结构的一个示例如图13所示(活塞顶面的俯视图)。
然而，使用这种结构，在气缸中在翻转流的轴向上的两个外侧区域(图13中的阴影区域“d”)不能执行搅拌，难以促进燃料的充分蒸发和雾化。US 4，770，139公开了一种包括屋脊和关联活塞的燃烧室。US 6，725，拟8公开了一种用于控制发动机中的燃烧的系统和方法。EP 0851102公开了一种用于I. C.发动机的燃烧室装置。
发明内容
本发明的发明人发现了在气缸中实际发生的上述现象(侧翻转流的能量被消耗以产生朝向活塞顶面的中心侧的气流)，并且把注意力集中在通过限制朝向活塞顶面的中心侧的翻转流的产生能够由翻转流来显著地增加燃烧效率的可能性。本发明的发明人还考虑到在翻转流的轴向上的两个外侧区域中充分地搅拌进气从而充分促进整个气缸中的燃料的蒸发和雾化的可能性。
本发明提供了一种具有用于保持形成在活塞的顶面中的翻转流的凹部的活塞，其中，凹部具有这样的形状其能够利用给予进气的大部分的流体能量来产生在垂直于翻转流轴线的方向上流动的翻转流，并且能够大致整个气缸中促进燃料的蒸发和雾化。本发明还提供了一种使用所述活塞的内燃机。
也就是说，用于保持形成在活塞顶面中的翻转流的凹部包括用于确保翻转流的直径在活塞顶面的中心处为大的一部分，以及用于在活塞顶面的两侧产生不受缸膛内壁影响并且与中心翻转流的流线的方向大致平行的翻转流(侧翻转流)的一部分。
本发明的第一方案提供了一种用于内燃机的活塞，所述活塞包括具有凹部的顶面。凹部包括中心区和侧区，中心区在沿翻转流轴线的方向上的中心处形成；侧区在中心区的在沿翻转流轴线的方向上的两外侧上连续地形成。中心区具有减小部，在减小部中，中心区在垂直于翻转流轴线的宽度方向上的尺寸在沿翻转流轴线的方向上朝着活塞外周逐渐减小。侧区具有恒定部，恒定部与翻转流轴线大致平行地延伸。
根据所述结构，流入气缸中的进气产生了翻转流，所述翻转流包括沿“中心区”流动的中心翻转流和沿“侧区，，流动的侧翻转流。
在沿翻转流轴线的方向上的“中心区”的中心处，确保凹部宽度相对大，从而产生的中心翻转流具有大直径以及在垂直于翻转流轴线的方向上延伸的流线。另外，在“减小部”的“中心区”中，凹部宽度在沿翻转流轴线的方向上朝着活塞外周逐渐减小，使得翻转流的直径朝着活塞外周逐渐变小。也就是说，随着在垂直于翻转流轴线的方向上的缸内长度 (气缸内空间的长度)朝着活塞外周逐渐变小，翻转流的直径逐渐变小，以便产生理想的中心翻转流(不受缸膛内壁影响)，理想的中心翻转流的流线在垂直于翻转流轴线的方向上延伸并且不被干扰。“减小部”还有助于提高燃烧室中的压缩比。
另一方面，“侧区”具有与翻转流轴线大致平行地延伸的“恒定部”。在“侧区”中流动的侧翻转流的直径不会朝着活塞外周变小，而是在整个“侧区”上大致一致。也就是说， 在“侧区”中产生的侧翻转流具有比中心翻转流的外径小的大致一致的外径。因此，在活塞顶面的外周附近产生了几乎不受在翻转流轴线的方向上相邻的缸膛内壁影响的侧翻转流， 产生了具有在垂直于翻转流轴线的方向上延伸的流线的翻转流。结果，可以促进整个气缸中的燃料的蒸发和雾化。
如上所述，根据本发明的第一方案，可以利用给予进气的大部分的流体能量来产生在垂直于翻转流轴线的方向上流动的翻转流，并且可以促进整个气缸中的燃料的蒸发和雾化。
本发明的第二方案提供了一种用于内燃机的活塞，所述活塞包括顶面，其具有用于保持翻转流的凹部；以及外周部，其具有待插入活塞销的活塞销孔。凹部包括中心区和侧区，中心区在沿活塞销孔的轴线的方向上的中心处形成；侧区在中心区的在沿活塞销孔的轴线的方向上的两外侧上连续地形成。中心区具有减小部，在减小部中，中心区在垂直于活塞销孔的轴线的宽度方向上的尺寸在沿活塞销孔的轴线的方向上朝着活塞外周逐渐减小。 侧区具有恒定部，恒定部与活塞销孔的轴线大致平行地延伸。
同样根据所述结构，能够获得与第一方案的效果相同的效果。也就是说，可以利用给予进气的大部分的流体能量来产生在垂直于翻转流轴线(其与活塞销孔的轴线平行地延伸)的方向上流动的翻转流，并且可以促进整个气缸中的燃料的蒸发和雾化。
此外，本发明的第三方案提供了一种用于内燃机的活塞，所述活塞包括具有凹部的顶面。限定凹部的外周的棱线包括变化棱线和恒定棱线，凹部沿变化棱线在垂直于翻转流轴线的宽度方向上的尺寸在沿翻转流轴线的方向上从在沿翻转流轴线的方向上的中心朝着活塞外周变小，凹部沿恒定棱线在宽度方向上的尺寸在沿翻转流轴线的方向上朝着活塞外周保持为大致恒定。变化棱线和恒定棱线与设置在二者之间的曲部连续地形成。
所述活塞可以进一步包括外周部，外周部具有待插入活塞销的活塞销孔，并且限定凹部的外周的棱线包括变化棱线和恒定棱线，凹部沿变化棱线在垂直于活塞销孔的轴线的宽度方向上的尺寸在沿活塞销孔的轴线的方向上从在沿活塞销孔的轴线的方向上的中心朝着活塞外周变小，凹部沿恒定棱线在宽度方向上的尺寸在沿活塞销孔的轴线的方向上朝着活塞外周保持为大致恒定。变化棱线和恒定棱线与设置在二者之间的曲部连续地形成。
根据这些结构，中心翻转流产生在相对于“曲部”的中心侧上，而侧翻转流产生在相对于“曲部”的外侧上。中心翻转流和侧翻转流的功能与上述方案中的中心翻转流和侧翻转流的功能相同。因此，同样根据第三方案，可以利用给予进气的大部分的流体能量来产生在垂直于翻转流轴线(活塞销孔的轴线)的方向上流动的翻转流，并且可以促进整个气缸中的燃料的蒸发和雾化。
另外，本发明的第四方案提供了一种用于内燃机的活塞，所述活塞包括顶面，其具有用于避免干涉阀的阀龛以及凹部。阀龛形成的区域与凹部形成的区域彼此相邻。限定在阀龛形成的区域与凹部形成的区域之间的棱线包括变化棱线、恒定棱线和曲部，凹部沿变化棱线在垂直于翻转流轴线的宽度方向上的尺寸在沿翻转流轴线的方向上从在沿翻转流轴线的方向上的中心朝着活塞外周变小，凹部沿恒定棱线在宽度方向上的尺寸在沿翻转流轴线的方向上朝着活塞外周保持为大致恒定，曲部连接变化棱线与恒定棱线。
所述活塞可以进一步包括外周部，外周部具有待插入活塞销的活塞销孔，并且限定在阀龛形成的区域与凹部形成的区域之间的棱线包括变化棱线、恒定棱线和曲部，凹部沿变化棱线在垂直于活塞销孔的轴线的宽度方向上的尺寸在沿活塞销孔的轴线的方向上从在沿活塞销孔的轴线的方向上的中心朝着活塞外周变小，凹部沿恒定棱线在宽度方向上的尺寸在沿活塞销孔的轴线的方向上朝着活塞外周保持为大致恒定，曲部连接变化棱线与恒定棱线。
同样根据这些结构，中心翻转流产生在凹部的由相对于“曲部”而位于中心侧上的 “变化棱线”所限定的部分中，而侧翻转流产生在凹部的由相对于“曲部”而位于外侧上的 “恒定棱线”所限定的部分中。中心翻转流和侧翻转流的功能与上述方案中的中心翻转流和侧翻转流的功能相同。因此，同样根据所述方案，可以利用给予进气的大部分的流体能量来产生在垂直于翻转流轴线的方向上流动的翻转流，并且可以促进整个气缸中的燃料的蒸发和雾化。
第四方案在使中心翻转流和侧翻转流在活塞中发挥它们的功能方面尤其有效，在该活塞中阀龛形成的区域与凹部形成的区域彼此相邻(或重叠)。
凹部在横向上尺寸最大处的部分可以如下设定。假设阀龛包括彼此相邻设置的两个进气侧阀龛以及彼此相邻设置的两个排气侧阀龛，则凹部在垂直于翻转流轴线的宽度方向上的尺寸被设定为在进气侧阀龛之间的中间位置与排气侧阀龛之间的中间位置之间的区域中最大。
同样地，凹部在垂直于活塞销孔的宽度方向上的尺寸被设定为在进气侧阀龛之间的中间位置与排气侧阀龛之间的中间位置之间的区域中最大。
根据这些结构，可以在活塞顶面的中心处产生具有最大外径的翻转流，使得在气缸中形成对于燃料的蒸发和雾化来说最佳的理想形状的翻转流。
本发明的第五方案提供了一种内燃机，所述内燃机包括具有缸膛的气缸；以及布置在所述缸膛中的上述活塞。也就是说，根据上述第一至第四方案中的任一种方案的活塞布置在缸膛中。随着混合气在燃烧室中燃烧，所述活塞在缸膛中往复运动以产生动力。
本发明的第六方案提供了一种用于内燃机的活塞，所述活塞包括具有凹部的顶面。凹部包括中心区和侧区，中心区在凹部的纵向上的中心处形成；侧区在中心区的在纵向上的两外侧上连续地形成。中心区具有减小部，在减小部中，中心区在垂直于纵向的宽度方向上的尺寸在纵向上朝着活塞外周逐渐减小。侧区具有恒定部，在恒定部中，侧区在宽度方向上的尺寸在纵向上实质上一致。
根据本发明，可以利用给予进气的大部分的流体能量来产生在垂直于翻转流轴线 (活塞销孔的轴线)的方向上流动的翻转流，大致在整个气缸中产生翻转流，并且可以促进整个气缸中的燃料的蒸发和雾化。结果，能够提高燃烧室中的燃料的燃烧效率，并且能够改善废气排放和燃料消耗率。
通过结合附图对示范实施例的下列描述，本发明的上述以及进一步的目的、特征和优点将变得明显，其中，相似的附图标记用于表示相似的元件，以及其中图1为示出了根据本发明的一个实施例的发动机的燃烧室的构造及其周围部件的截面图，示出了翻转控制阀被完全关闭的状态；图2示出了在翻转控制阀完全打开的状态下的进气系统的示意构造；图3为活塞的立体图；图4为活塞的俯视图；图5为沿图4中的线V-V截取的截面图； 图6为沿图4中的线VI-VI截取的截面图；图7为沿图4中的线VII-VII截取的截面图；图 8为沿图4中的线VIII-VIII截取的截面图；图9为活塞的位于与图5中的线IX-IX相对应的位置处的截面图；图IOA示出了所实施的确认延迟极限的实验的结果；图IOB示出了所实施的确认空燃比的稀薄极限的实验的结果；图IlA和图IlB各自为根据翻转流保持凹部的一个改进例的活塞顶面的俯视图；图12为具有典型常规形状的凹部的活塞顶面的俯视图；以及图13为具有小凹部的活塞顶面的俯视图。
具体实施方式
下面将结合附图来描述本发明的一个实施例。在所述实施例中，描述了一种在用于汽车的多缸(例如，直列四缸)汽油发动机中使用的活塞。
图1为示出了根据所述实施例的发动机(内燃机)1的燃烧室10的构造及其周围部件的截面图。如图1所示，根据所述实施例的发动机1为四阀多缸汽油发动机，每个气缸包括两个进气阀12以及两个排气阀22。在图1中，仅示出了一个气缸，并且仅示出了一个进气阀12以及一个排气阀22。[0043]能够垂直地往复运动的活塞2设置在发动机1的各个气缸Ia中。活塞2经由连杆8连接到曲轴(未示出)上，使得活塞2的往复运动通过连杆8变换为曲轴的旋转。
气缸盖Ib连接在气缸Ia的上部上。燃烧室10由气缸盖lb、气缸Ia(缸膛内壁) 以及活塞2限定。火花塞3布置在燃烧室10的上部。
形成在气缸盖Ib中的进气口 11和排气口 21分别连接到发动机1的燃烧室10上。 进气阀12设置在进气口 11与燃烧室10之间。进气阀12的打开和关闭允许和切断进气口 11与燃烧室10之间的连通。同样，排气阀22设置在排气口 21与燃烧室10之间。排气阀 22的打开和关闭允许和切断排气口 21与燃烧室10之间的连通。曲轴的旋转传递至进气曲轴和排气曲轴，通过进气曲轴和排气曲轴的旋转来分别打开和关闭进气阀12和排气阀22。
形成在进气歧管13中的进气通道13a连接到进气口 11上。同样，形成在排气歧管(未示出)中的排气通道连接到排气口 21上。
空气滤清器(带有空气流量计)5设置在进气通道13a的上游。另外，用于调节发动机1的进气量的电控节流阀4等布置在进气通道13a中。
用于燃料喷射的喷射器6布置在进气口 11处。喷射器6由燃料泵从燃料罐(未示出)以预定压力供给燃料，并且将燃料喷射到进气口 11中。喷射出的燃料与进气混合从而形成混合气，混合气被引入发动机1的燃烧室10中。在发动机1的压缩行程中，引入燃烧室10中的混合气被压缩，然后被火花塞3点燃从而燃烧(膨胀冲程)。燃烧室10中的混合气的燃烧使活塞2进行往复运动，这使得作为输出轴的曲轴旋转。
上述发动机1的运行状态由E⑶(电子控制单元)7控制。E⑶7包括CPU、ROM、 RAM、后备RAM等(未示出)。ROM存储各种控制程序、执行这些控制程序时作为参考的设定表，以及其他数据。CPU基于存储在ROM中的控制程序以及设定表来执行各种操作。RAM是用于暂时地存储CPU中的操作结果以及从各个传感器输入的数据的存储器。后备RAM是用于例如在发动机1停止时存储待保存的数据的非易失性存储器。
E⑶7基于来自诸如水温传感器、空气流量计、进气温度传感器、节气门位置传感器、曲轴位置传感器(发动机转速传感器)、凸轮位置传感器，以及加速器位置传感器的各种传感器(未示出)的输出，通过控制诸如喷射器6、火花塞3的点火器以及节流阀4的节流阀电动机的各种部件来执行发动机1的各种控制。ECU 7进一步控制稍后描述的翻转控制阀15。
现在对通过控制翻转控制阀15来调节气缸中的翻转流的进气系统进行描述。
如图1所示，具有预定长度并且沿进气口 11的纵向(进气流的方向)延伸的隔壁 14设置在进气口 11中。隔壁14和翻转控制阀15构成用于控制翻转流的翻转控制机构。 隔壁14布置为不干扰从喷射器6喷射出的燃料喷雾F。
隔壁14将进气口 11内部的一部分空间分隔为两部分上部和下部，从而在进气口 11的入口处形成上流路Ila和下流路lib。翻转控制阀15设置在上述两个上流路Ila和下流路lib的上游。翻转控制阀15布置在连接至进气口 11的上游的进气歧管13中。
翻转控制阀15包括板状阀元件15a以及支撑阀元件15a的一端的旋转轴15b。致动器15c如电动机连接到旋转轴1 上。当驱动致动器15c时，阀元件15a的开度即翻转控制阀15的开度被调节。
翻转控制阀15的开度由ECU 7控制。在需要翻转流的运行状态下(例如，当发动机1冷或处于低至中转速范围时)，阀元件1 被控制到图1所示的位置(半开位置)。例如，当发动机1已经暖机或处于高转速范围时，阀元件1 被控制到图2所示的位置(全开位置)。
下面对包括这种进气系统的发动机1的操作进行简要地描述。
首先，当在发动机1的进气行程中进气阀12打开并且活塞2向下移动时，进气通过进气阀12周围的间隙流入燃烧室10中。这时，例如，在发动机1处于高转速范围或已经暖机的情况下，翻转控制阀15的阀元件1 被控制到图2所示的全开位置。在翻转控制阀 15位于全开位置的状态下，进气流入上流路Ila和下流路lib 二者中，从而实质上均勻地流经进气阀12周围的间隙。因此，在燃烧室10中产生相对弱的气流从而仅产生少量翻转流。
相反，例如，在发动机1处于低至中转速范围或冷的情况下，翻转控制阀15的阀元件1 被控制到图1所示的半开位置，使得大部分的进气通过上流路Ila流入燃烧室10中。 因此，在燃烧室10中产生强的翻转流。产生的这种翻转流在气缸中搅拌以促进燃料的蒸发和雾化，在膨胀冲程中在燃烧室10中实现了燃料的良好的燃料特性。
现在对活塞2的构造进行描述。根据所述实施例的活塞2通过铸造铝合金而形成。 如图1所示，连杆8的小端部连接到活塞销2d上。插入活塞销2d的活塞销孔2e形成在活塞2的外周部中。活塞销孔加的轴线与活塞2的轴线实质上垂直。活塞环h、2b、2c分别安装在形成在活塞2的外周面中的多个(在所述实施例中为三个)环形槽中。
下面对活塞顶面的形状进行具体地描述。
图3为根据所述实施例的活塞2的立体图。图4为活塞2的俯视图。在下面的描述中，为了描述的简明，当在俯视图(图4)中观察活塞2时，沿活塞销孔加(参见图3)的轴线Ll (参见图4)的方向称为“X方向”，而垂直于活塞销孔2e的轴线Ll的水平方向称为 “Y方向”。另外，沿活塞2的轴线的方向(垂直方向)称为“Z方向”。
如图3和图4所示，根据所述实施例的活塞2的顶面23包括形成在与相应的进气阀12、12相对应的位置处的进气侧阀龛M、24 ；形成在与相应的排气阀22、22相对应的位置处的排气侧阀龛25、25 ；形成在进气侧阀龛M、24的外侧上的进气侧挤气区沈；形成在排气侧阀龛25、25的外侧上的排气侧挤气区27 ；以及在活塞顶面23的中心处凹陷而形成的翻转流保持凹部观。也就是说，两个进气侧阀龛MJ4在X方向上彼此相邻布置(或沿 X方向对齐)。同样，两个排气侧阀龛25、25在X方向上彼此相邻布置(或沿X方向对齐)。 翻转流保持凹部观的纵向在X方向上延伸，并且与轴线Ll 一致。
进气侧阀龛M、24形成为在进气阀12、12上升时防止相应的进气阀12、12干涉活塞顶面23。由于每个进气阀12的轴线相对于活塞2的轴线(Z轴)倾斜，因此每个进气侧阀龛M的面向阀的表面在基本垂直于进气阀12的轴线的方向上倾斜。
同样，排气侧阀龛25、25形成为在排气阀22、22上升时防止相应的排气阀22、22 干涉活塞顶面23。由于每个排气阀22的轴线相对于活塞2的轴线(Z轴)倾斜，因此每个排气侧阀龛25的面向阀的表面在基本垂直于排气阀22的轴线的方向上倾斜。
如上所述，翻转流保持凹部观形成在活塞顶面23中。由于阀不干涉形成翻转流保持凹部观的区域，因此进气侧阀龛24J4与排气侧阀龛25、25形成在翻转流保持凹部观的外侧并且与翻转流保持凹部观相邻。当各个阀龛M、24、25、25的面向阀的表面朝着活塞的中心向上倾斜时，翻转流保持凹部观的内表面朝着活塞的外侧向上倾斜。因此，在进气侧阀龛MJ4与翻转流保持凹部观之间以及在排气侧阀龛25、25与翻转流保持凹部观之间限定了预定形状的棱线R。稍后将对棱线R的形状进行描述。
进气侧挤气区沈形成在进气侧阀龛M、24的外侧，并且朝着活塞2的中心向上 (在Z方向上向上)倾斜。进气侧挤气区沈具有如下功能在发动机1的压缩行程中，通过缩小进气侧挤气区26与气缸盖Ib之间的空间来产生朝向燃烧室10的中心的气流(挤气流)。
排气侧挤气区27形成在排气侧阀龛25、25的外侧，并且朝着活塞2的中心向上 (在Z方向上向上)倾斜。如同进气侧挤气区沈一样，排气侧挤气区27具有如下功能在发动机1的压缩行程中，通过缩小排气侧挤气区27与气缸盖Ib之间的空间来产生朝向燃烧室10的中心的气流(挤气流)。
活塞2的翻转流保持凹部28形成在活塞顶面的中心处。详细描述如下。
图5为沿图4中的线V-V截取的截面图。图6为沿图4中的线VI-VI截取的截面图。图7为沿图4中的线VII-VII截取的截面图。图8为沿图4中的线VIII-VIII截取的截面图。图9为活塞2的位于与图5中的线IX-IX相对应的位置处的截面图。
如这些图所示，翻转流保持凹部28形成为在沿插入活塞销2d的活塞销孔2e的轴线Ll的方向(X方向)上延伸跨越活塞2的外周附近，并且在垂直于活塞销孔加的轴线 Ll的方向(Y方向)上延伸跨越进气侧阀龛24J4形成的区域与排气侧阀龛25、25形成的区域之间。翻转流保持凹部观的最深部分的深度(相对于活塞顶面23的外周的深度；图 5中的尺寸D)被设定为活塞2的外径的大约5%。应注意的是，该数值不局限于此。
翻转流保持凹部观包括形成在X方向上的中心处的中心翻转流引导区(中心区)，以及连续形成在中心区28A的两侧上(相邻地形成在X方向上的两侧上)的侧区^B、 28B.在图4中，中心区28A用虚线作阴影线，而侧区^B、28B用双点划线作阴影线。
中心区28A具有减小部(如图4中的Al所示)，在减小部中，凹部宽度(在Y方向上的尺寸)在活塞顶面的在X方向上的中心处最大(图4中的尺寸Tl)，并且凹部宽度(在 Y方向上的尺寸)在X方向上朝着活塞外周逐渐减小。例如，沿图4中的VI-VI线的部分处的凹部宽度(在Y方向上的尺寸，或图4中的尺寸T2 ；参见图6的截面图)比中心处的宽度(Tl)小。如上所述，在减小部Al中，凹部宽度在X方向上朝着活塞外周逐渐减小。减小部Al中的棱线R可以被认为是本发明的“变化棱线”。具体地，尺寸Tl被设定为活塞2的外径的大约60 %，而尺寸T2被设定为活塞2的外径的大约55%。同样，减小部Al的长度被设定为活塞2的外径的大约45%。应注意的是，这些数值不局限于此。在图4中，两个进气侧阀龛之间的范围(中间位置)由虚线Pl表示，而两个排气侧阀龛之间的范围(中间位置)由虚线P2表示。凹部在Y方向上的尺寸在由虚线Pl和P2以及将Pl和P2的各个相反端彼此连接的线所限定的区域即Pl与P2之间彼此相对的区域中最大。
进气侧挤气区沈和排气侧挤气区27优选地具有尽可能大的面积。另一方面，如上所述，凹部宽度(在Y方向上的尺寸)被设定为在X方向上的中心处较大。因此，在进气侧阀龛24J4之间的区域中，从中心区28A的外周延伸到进气侧挤气区沈的斜面Sl的倾角被设定为比典型的常规活塞的倾角大(例如，相对于水平方向成50° )。同样地，在排气侧阀龛25、25之间的区域中，从中心区28A延伸到排气侧挤气区27的斜面S2的倾角被设定为比典型的常规活塞的倾角大(例如，相对于水平方向成50° )。
减小部Al中的棱线R是具有恒定曲率的弧形。棱线R不局限于此，并且可以以逐渐变化的曲率弯曲或大致是直的。
另一方面，侧g^B、28B具有恒定部(如图4中的A2所示)，恒定部的外缘大致平行于X方向延伸。因此，例如，沿图4中的VII-VII线的部分处的凹部宽度(在Y方向上的尺寸，或图4中的尺寸T3 ；参见图7的截面图)与沿图4中的VIII-VIII线的部分处的凹部宽度(在Y方向上的尺寸，或图4中的尺寸T4;参见图8的截面图)大致相等。如上所述， 在Y方向上的凹部宽度在恒定部A2中大致一致。恒定部A2中的棱线R可以被认为是本发明的“恒定棱线”。具体地，尺寸T3和T4被设定为活塞2的外径的大约50%。同样，每个恒定部A2的长度被设定为活塞2的外径的大约13%。应注意的是，这些数值不局限于此。
曲部Rl设置在减小部A2与恒定部A2、A2之间的边界处，在边界处，棱线R的曲率在减小部Al的曲率与恒定部A2、A2的曲率之间变化。曲部Rl平滑地连接减小部A2的棱线R与恒定部A2的棱线R。因此，翻转流保持凹部28在相对于曲部Rl而位于中心侧的部分被定义为中心区28A，而翻转流保持凹部28在相对于曲部Rl而位于外侧(在X方向上) 上的部分被定义为侧区^BJ8B。曲部Rl存在于进气侧阀龛MJ4与翻转流保持凹部观之间的每个棱线上，以及排气侧阀龛25、25与翻转流保持凹部观之间的棱线上。也就是说， 曲部Rl存在于活塞顶面23上的四个位置处。
图3中的符号C指示在铸造活塞2时被推动的部分的外周形状，所述部分的内部区域(其占据中心区^A的大部分)大致平坦。通过将待推动的部分放置在相对大的中心区28A中来增加活塞2的坚固性。
现在对翻转流如何产生进行描述。由于如上所述翻转流保持凹部28包括中心区 28A以及侧区^BJ8B，因此在驱动发动机1时流入气缸中的进气产生了包括沿中心区28A 流动的中心翻转流以及沿侧区^B、28B流动的侧翻转流的翻转流。
在中心区28A在X方向上的中心处，凹部宽度(在Y方向上的尺寸)被确保为相对大，从而产生具有大直径以及在Y方向上延伸的流线的中心翻转流(参见图5所示的翻转流)。另外，在中心区^A的减小部Al中，凹部宽度(在Y方向上的尺寸)在X方向上朝着外侧逐渐减小，使得翻转流的直径朝着活塞外周逐渐变小。也就是说，翻转流的直径随着 Y方向上的缸内长度朝着活塞外周逐渐变小而逐渐变小，以便产生理想的中心翻转流(不受缸膛内壁影响)，理想的中心翻转流的流线在Y方向上延伸并且不被干扰(参见图6所示的翻转流)。
另一方面，由于侧区^B、28B具有在X方向上延伸的恒定部A2、A2，因此在侧区 28B.28B中流动的侧翻转流的直径不会朝着活塞外周变小，而是在整个侧区^B、28B上大致一致。也就是说，在侧区^BJSB中产生的侧翻转流具有比中心翻转流的外径小的大致一致的外径(参见图7和图8所示的翻转流)。因此，侧翻转流几乎不受在X方向上相邻的缸膛内壁影响，并且具有在Y方向上延伸的流线。另外，由于如上所述几乎没有缸膛内壁的影响，因此翻转流在活塞顶面23的外周附近产生，翻转流在气缸的在翻转流的轴向(X方向)上的两个外侧中良好地搅拌，从而促进了整个气缸中燃料的蒸发和雾化。
如上所述，根据依照所述实施例的活塞2，可以利用给予进气的大部分的流体能量来产生沿Y方向流动的翻转流，并且可以促进整个气缸中的燃料的蒸发和雾化。结果，能够提高燃烧室10中的燃料的燃烧效率，并且能够改善废气排放和燃料消耗率。
另外，由于翻转流保持凹部28的总容积受到中心区^A中的减小部Al限制，减小部Al会缩小翻转流保持凹部28的宽度，因此能够提高燃烧室10的压缩比。因此，例如，可以在保持上述效果(提高燃烧效率从而改善废气排放和燃料消耗率)的同时容易地使发动机1实现超过10的压缩比。
现在对所实施的确认上述实施例的效果的实验以及所述实验的结果进行描述。在所述实验中，顶面具有常规形状的凹部的活塞(如图12所示)与根据上述实施例的活塞2 各自被装配到发动机(直列四缸汽油发动机)中以通过逐渐延迟火花塞3的点火正时来比较延迟极限(发动机失速时的极限延迟量)(实验1)。同样，通过使得空燃比逐渐稀薄来比较稀薄极限(发动机失速时的极限空燃比)(实验2)。
图IOA示出了实验1的结果，而图IOB示出了实验2的结果。
如图IOA所示，顶面23具有根据本发明的形状的凹部观的活塞2实现了比由顶面具有常规形状的凹部的活塞实现的延迟极限高大约12%的延迟极限。也就是说，确认了 在使用根据本发明的活塞2的情况下，与使用常规活塞的情况相比，可以使得点火正时更显著地延迟而不使发动机失速，因此尤其当在发动机1冷时启动发动机1时可以通过增加点火延迟量来快速地激活(加热)催化转化器。
同样，如图IOB所示，顶面23具有根据本发明的形状的凹部观的活塞2实现了比由顶面具有常规形状的凹部的活塞实现的空燃比的稀薄极限高大约30%的空燃比的稀薄极限。也就是说，确认了 在使用根据本发明的活塞2的情况下，与使用常规活塞的情况相比，可以使得空燃比更显著地稀薄而不使发动机失速，因此显著地提高了燃料燃烧比。
现在对翻转流保持凹部观的改进例进行描述。图IlA和图IlB各自为示出了翻转流保持凹部观的改进例的活塞顶面23的俯视图(其中未示出阀龛)。
在图IlA所示的改进例中，改变中心区^A中的棱线R使得曲率半径在X方向上朝着活塞外周增加，并且在侧区^BJSB中在Y方向上的凹部宽度被设定为小于上述实施例的凹部宽度。
同样，在图IlB所示的改进例中，限定了翻转流保持凹部观的外周的棱线R的延伸方向在减小部Al与恒定部A2、A2之间的边界处的曲部Rl中改变大约90°。
在以上所述的实施例和改进例中，本发明应用于在汽车的多缸汽油发动机中使用的活塞。本发明不局限于此，并且可以应用于汽车的柴油发动机。本发明还可以应用于除汽车以外的发动机。发动机的规格如气缸的数量以及发动机是否具有翻转控制阀15没有特殊的限制。
权利要求
1.一种用于内燃机的活塞0)，其特征在于包括顶面(23)，其具有用于避免干涉阀的阀龛04、25)以及翻转流保持凹部08)，其中，所述阀龛形成的区域与所述凹部形成的区域彼此相邻，并且限定在所述阀龛形成的所述区域与所述凹部形成的所述区域之间的棱线包括变化棱线、恒定棱线和曲部 (Rl)，所述凹部沿所述变化棱线在垂直于翻转流轴线的宽度方向上的尺寸在沿所述翻转流轴线的方向上从在沿所述翻转流轴线的方向上的中心朝着活塞外周变小，所述凹部沿所述恒定棱线在所述宽度方向上的尺寸在沿所述翻转流轴线的方向上朝着所述活塞外周保持为大致恒定，所述曲部(Rl)连接所述变化棱线与所述恒定棱线。
2.根据权利要求
1所述的活塞，其中，所述阀龛包括彼此相邻设置的两个进气侧阀龛04)以及彼此相邻设置的两个排气侧阀龛05)；并且所述凹部在所述宽度方向上的所述尺寸被设定为在所述进气侧阀龛之间的中间位置与所述排气侧阀龛之间的中间位置之间的区域中最大。
3.根据权利要求
1所述的活塞，进一步包括外周部，其具有待插入活塞销Od)的活塞销孔Ce)，其中，所述活塞销孔的轴线与所述翻转流轴线平行。
4.根据权利要求
1至3中任一项所述的活塞，其中，所述凹部在所述宽度方向上的所述尺寸在所述顶面的在沿所述翻转流轴线的方向上的中心处最大。
5.根据权利要求
3所述的活塞，其中，所述凹部在所述宽度方向上的所述尺寸在所述顶面的在沿所述活塞销孔的所述轴线的方向上的中心处最大。
6.一种用于内燃机的活塞O)，其特征在于包括顶面(23)，其具有用于避免干涉阀的阀龛04、25)以及翻转流保持凹部08)；以及外周部，其具有待插入活塞销Od)的活塞销孔Ce)，其中，所述阀龛形成的区域与所述凹部形成的区域彼此相邻，并且限定在所述阀龛形成的所述区域与所述凹部形成的所述区域之间的棱线包括变化棱线、恒定棱线和曲部 (Rl)，所述凹部沿所述变化棱线在垂直于所述活塞销孔的轴线的宽度方向上的尺寸在沿所述活塞销孔的所述轴线的方向上从在沿所述活塞销孔的所述轴线的方向上的中心朝着活塞外周变小，所述凹部沿所述恒定棱线在所述宽度方向上的尺寸在沿所述活塞销孔的所述轴线的方向上朝着所述活塞外周保持为大致恒定，所述曲部(Rl)连接所述变化棱线与所述恒定棱线。
7.根据权利要求
6所述的活塞，其中，所述阀龛包括彼此相邻设置的两个进气侧阀龛以及彼此相邻设置的两个排气侧阀龛；并且所述凹部在所述宽度方向上的所述尺寸被设定为在所述进气侧阀龛之间的中间位置与所述排气侧阀龛之间的中间位置之间的区域中最大。
8.根据权利要求
6或7所述的活塞，其中，所述凹部在所述宽度方向上的所述尺寸在所述顶面的在沿所述活塞销孔的所述轴线的方向上的中心处最大。
9.一种内燃机，其特征在于包括具有缸膛的气缸；以及布置在所述缸膛中的根据权利要求
1至8中任一项所述的活塞，其中，随着混合气在燃烧室(10)中燃烧，所述活塞在所述缸膛中往复运动以产生动力。
10.一种用于内燃机的活塞0)，其特征在于包括具有翻转流保持凹部08)的顶面 (23),其中，所述凹部包括中心区08A)和侧区Q8B)，所述中心区Q8A)在所述凹部的纵向上的中心处形成；所述侧区08B)在所述中心区的在所述纵向上的两外侧上连续地形成，所述中心区具有减小部，在所述减小部中，所述中心区在垂直于所述纵向的宽度方向上的尺寸在所述纵向上朝着活塞外周逐渐减小，所述侧区具有恒定部，在所述恒定部中，所述侧区在所述宽度方向上的尺寸在所述纵向上一致，以及其中，所述顶面进一步包括与所述凹部相邻的阀龛04、25)，并且限定在所述阀龛与所述凹部之间的棱线包括变化棱线、恒定棱线和曲部(Rl)，所述凹部沿所述变化棱线在所述宽度方向上的尺寸在所述纵向上从在所述纵向上的中心朝着所述活塞外周变小，所述凹部沿所述恒定棱线在所述宽度方向上的尺寸在所述纵向上朝着所述活塞外周保持为大致恒定，所述曲部(Rl)连接所述变化棱线与所述恒定棱线。
11.根据权利要求
10所述的活塞，其中，所述阀龛包括彼此相邻设置的两个进气侧阀龛04)以及彼此相邻设置的两个排气侧阀龛05)，所述凹部的底部与所述棱线之间的高度小于所述凹部的所述底部与脊线之间的高度， 所述脊线形成在所述凹部与在所述凹部的外侧上形成的挤气区之间并且在所述纵向上形成在所述两个进气侧阀龛之间。
12.根据权利要求
10所述的活塞，其中，所述阀龛包括彼此相邻设置的两个进气侧阀龛04)以及彼此相邻设置的两个排气侧阀龛05)，所述凹部的底部与所述棱线之间的高度小于所述凹部的所述底部与脊线之间的高度， 所述脊线形成在所述凹部与在所述凹部的外侧上形成的挤气区之间并且在所述纵向上形成在所述两个排气侧阀龛之间。
13.根据权利要求
12所述的活塞，其中，所述凹部的所述纵向与翻转流轴线一致。
14.根据权利要求
12所述的活塞，进一步包括外周部，所述外周部具有待插入活塞销 (2d)的活塞销孔(2e)，其中，所述凹部的所述纵向与所述活塞销孔的轴线一致。
专利摘要
活塞顶面(23)具有凹部。中心区(28A)形成在凹部的中心处以确保中心翻转流的直径较大。侧区(28B)形成在活塞顶面的两侧上以产生不受缸膛内壁影响并且具有与中心翻转流的流线大致平行的流线的侧翻转流。
文档编号F02B31/08GKCN101600866 B发布类型授权 专利申请号CN 200880003335
公开日2011年12月14日 申请日期2008年1月28日
发明者土屋富久, 山形光正, 立花良二 申请人:丰田自动车株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan专利引用 (7),