发动机活塞 |
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| 申请号 | CN201510917635.2 | 申请日 | 2015-12-10 | 公开(公告)号 | CN105697182A | 公开(公告)日 | 2016-06-22 |
| 申请人 | 卡特彼勒公司; | 发明人 | L·伯格; A·帕尔默; B·鲍迪奇; A·洛茨; | ||||
| 摘要 | 一种 活塞 ，该活塞包括形成 冠部 和裙部的活塞本体，所述冠部形成碗状结构，该碗状结构由具有环状形状并且沿着一平面布置的平坦冠表面包围，所述碗状结构和所述平坦冠表面沿着所述碗状结构的具有大致的环形形形状的边缘交汇。大致的筒形表面包围所述冠部并且形成限定顶部凸台表面和底部凸台表面的至少两个凹槽。所述顶部凸台表面具有沿着所述活塞的中心线的高度，所述活塞具有被配置成允许在具有内部直径的缸孔内往复运动地操作的标称外部直径，使得所述顶部凸台表面的高度和所述缸孔的内直径之间的比率在3％到4.5％之间。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于内燃发动机的活塞，该活塞包括： |
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| 说明书全文 | 发动机活塞技术领域[0001] 本发明总体上涉及一种内燃发动机，更具体而言，涉及在发动机缸孔内操作的活塞。 背景技术[0002] 内燃发动机典型地包括通过连杆互连至曲轴的一个或多个活塞。这些活塞典型地布置成在形成于曲轴箱中的缸孔内往复运动。典型的活塞包括：头部，该头部至少部分地限定位于各个缸孔内的燃烧室；和裙部，该裙部典型地包括用于连接至发动机连杆的销开口和其它支承结构。通常，活塞形成为具有大体杯状形状，其中活塞头形成基部，而裙部连接至该基部并且包围活塞的封闭油道。在典型的应用中，在操作过程中将来自发动机的润滑油供应到活塞的油道内，以对流地冷却和润滑活塞的各个部分。 [0003] 典型的活塞头还包括筒形外壁，该筒形外壁具有形成在其中的一个或多个周向连续凹槽。这些凹槽典型地彼此平行地延伸并且尺寸大小被适当地设置成在其中容纳密封环。这些密封环在各个活塞与各个活塞在其中操作的曲轴箱缸孔之间产生滑动密封。典型地，最接近活塞裙部定位的凹槽容纳刮油环，该刮油环被布置成在活塞的下行冲程过程中将附着在活塞缸孔壁上的油刮除。活塞下行冲程之后可能留下的润湿缸孔壁的油可能进入燃烧室并且在发动机操作过程中燃烧。 [0004] 通常，活塞通过在发动机的缸体中形成的缸孔内往复运动来操作，这产生了能够压缩在其中提供的燃料/空气混合物的可变容积。燃烧的燃料/空气混合物膨胀并且推动活塞，以增加可变容积，因而产生动力。燃料可以直接或间接地提供到该可变容积内，而空气和排气通过将该可变容积与进气和排气收集器选择性地流体连接的一个或多个进气阀和排气阀提供给该可变容积或从该可变容积去除。 [0005] 用来构建发动机气缸壁、活塞、与可变容积相关的各种阀以及其他周围的发动机结构的材料被选择成能够承受发动机操作过程中存在的高温和高压。活塞的各种特征结构也被设置形状为促进燃料在活塞内的有效燃烧、与发动机气缸相关的各种发动机部件的可靠性、以及其它考虑。然而，总是期望增加这些和其它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动力和效率方面促进发动机的有效操作。 发明内容[0006] 在一个方面中，本公开描述了一种用于内燃发动机的活塞。该活塞包括形成冠部和裙部的活塞本体。所述裙部包括销孔，该销孔被布置成收纳用于将所述活塞连接至连杆的销。所述冠部形成碗状结构，该碗状结构由具有环状形状并且沿着一平面布置的平坦冠表面包围。所述碗状结构和所述平坦冠表面沿着所述碗状结构的具有大体圆形形状的边缘(边沿)交汇。大致的筒形表面包围所述冠状部。该大致的筒形表面中形成有彼此平行地延伸的至少两个凹槽。所述至少两个凹槽限定沿着所述大致的筒形表面的顶部凸台表面(land surface)、底部凸台表面和至少一个中间凸台表面。所述顶部凸台表面具有沿着所述活塞的中心线的高度，所述活塞具有这样的标称直径，该标称直径配置成允许所述活塞在具有内直径的缸孔内往复运动地操作，使得所述顶部凸台表面的高度和所述缸孔的内直径之间的比率在3％到4.5％之间。附图说明 [0007] 图1是根据本发明的活塞的局部视图。 [0008] 图2是图1的活塞的底部视角的轮廓图。 [0009] 图3、4和5是图1的活塞的各个部分的局部放大视图。 [0010] 图6是根据本发明的活塞的替代实施例的局部视图。 具体实施方式[0011] 本发明涉及用于在内燃发动机中使用的活塞。在一个方面中，本发明提供了用于具有能够建立流场和湍流以促进燃料在气缸内的燃烧的特征结构的发动机活塞的各种实施例。根据发动机操作的类型，例如，火花点燃或压燃，活塞的这些特征结构能够操作以在活塞内容纳、混合和/或引导各种含有质量(物质)的燃料，以增加发动机效率，降低热排放，缩短燃烧时间，并且还控制部件温度，因而增加部件可靠性和使用寿命。如这里讨论的，物质在气缸内的混合或引导可以至少瞬间地发生，并且可以持续不超过千分之几秒，同时或在该时段的一些部分上在该气缸内存在燃料注入和/或燃烧火焰。 [0012] 为了说明根据本发明的发动机活塞的特定特征，在图1中从侧面视角示出了用于发动机的活塞100的局部视图，并且在图2中示出了从底部视角的该活塞的轮廓视图。活塞100包括冠部102和裙部104。裙部104形成用来容纳将活塞枢转地连接至连杆(未示出)的销(未示出)的销孔106，连杆以公知方式连接至发动机曲轴(未示出)。裙部104还包括布置在活塞100的在直径方向上相对两侧的两个引导表面105。在一替代实施例中，这些引导表面可以集成为基本围绕活塞延伸的单个引导表面。在示出的实施例中，所述两个引导表面105至少沿着活塞的包括活塞横截面103的横截面延伸，该活塞横截面103在图1中示出并且如图2所示垂直于销孔106的中心线C/L。在活塞的任一侧，所述两个引导表面105都可以在活塞外周的两个角部分上延伸，在图2中，各个角部分由α表示，并且延伸大约70度到90度。在示出的实施例中，对于围绕活塞100总共约154度的覆盖，每个角α约为77度。 [0013] 现在参照图1，两个引导表面105中的各个引导表面在沿着活塞100的中心线C的方向上在裙部104的外部部分上延伸一段高度H。在示出的实施例中，销孔106的沿着活塞100的中心线C的直径D至少部分地与引导表面的高度H重叠，使得在操作过程中裙部104通过抵消位于借助于销布置在销孔106中的连杆和其中布置有活塞的活塞缸孔之间的活塞中存在的力和力矩而部分地支承活塞100。在示出的实施例中，为了给活塞提供完全支承，即完全覆盖销孔106，该活塞包括第二引导表面(次要引导表面)108，该第二引导表面 108被形成为位于形成在冠部102的外周的筒形外壁112中的活塞环凹槽110之间的第二凸台。 [0014] 更具体地说，冠部102包括在筒形外壁112中的活塞环凹槽110。活塞环凹槽110容纳环状密封件(未示出)，这些环状密封件可滑动地且一般可密封地接合发动机气缸的壁，活塞100往复运动地布置在该气缸内。两个引导表面105和第二引导表面108的外直径被布置成使得防止活塞在操作过程中在其中往复运动地布置该活塞的缸孔内旋转或粘连住。此外，两个引导表面105和第二引导表面108共同覆盖沿着活塞的中心线C的长度，该长度沿着同一方向完全包括销孔106，从而提供了完全覆盖。 [0015] 关于活塞100的其他功能特征，参照如图1中所示的活塞100的取向，冠部102形成了具有大体凹入形状的碗状结构114。碗状结构114被边缘116包围。边缘116相对于中心线C居中地布置，并且具有大体圆形形状。围绕碗状结构144的边缘116布置环状形状的、平坦的冠表面118。图3中示出了碗状结构114的详细放大视图。如能够在图3中看到的，碗状结构114形成了与边缘116相邻的截锥形的壁表面117。该截锥形的壁表面117包围碗状结构114，并且相对于冠表面118以大约80度的角β形成。 [0016] 围绕碗状结构的中心的是相对于活塞100居中地布置的凸表面120。凸表面120具有约155mm的半径R1，但是也可以选择其它半径。从功能角度来看，凸表面120的半径确定了碗状结构114的总体容积，总体容积进而确定了活塞在缸孔内位于上止点位置时燃烧室的容积以及发动机的压缩比。因而，可以根据该活塞在其中安装和将操作的特定发动机的期望压缩比来选择凸表面120的半径R1。 [0017] 包围凸表面120并且布置在截头锥形壁表面117内的是凹表面122。凹表面122以大约10mm的半径形成，并且围绕凸表面120周向地延伸。在示出的实施例中，边缘116相对尖锐或者以例如大约0.25mm或更小的相对较小的去毛刺倒角形成。在操作期间，活塞100形成了各种特征结构，这些特征结构操作以重新引导和/或包含气缸内的各种运动的物质。在各个实施例中，这些特征结构操作而使热喷射器燃料羽流(fuel plume)分裂，当活塞接近气缸内的上止点位置时给气缸提供该燃料羽流，在活塞接近上止点运动(例如，引燃喷射事件)时和/或远离上止点位置运动时(例如，燃烧冲程期间的后喷射事件)也可以提供该燃料羽流。可以以减少各个包围着的缸内燃烧表面向火焰温度的暴露的方式在流动方向和材料消耗方面对在发动机操作的这些时间期间的燃料羽流、燃料雾化云状物和/或燃烧燃料的火焰进行重新引导。通过将气缸表面从火焰温度隔离，能够减少保留热和到包围发动机的部件的金属的热传递，这进而能够向发动机提供更高的动力输出和/或更高的功率密度，并且也改善了部件可靠性和使用寿命。在图出的实施例中，活塞100通过组合效应或主要通过截锥壁表面117和具有尖锐过渡的边缘116而实现了沿着冠表面118的流动分离和碗状结构114内的材料湍流。这些特征结构操作以保持燃烧的燃料远离活塞的边缘。 [0018] 为了示出活塞100的另外的特征，图4中示出了冠部102的放大视图。在该图中，示出了碗状结构114边缘的横截面用虚线箭头来标注，以示出至少在活塞的瞬时操作期间燃烧材料运动的方向。在该示例中，燃烧燃料的移动体在碗状结构114内大致在路径124后的区域中产生湍流或混合。来自燃烧室内的周围空气沿着路径126被吸入。至少部分地由所描述的各种活塞特征提供的燃烧的组合效应使得总体来说能够减少冠部102的高度，具体地说能够减少顶部凸台128的高度。如这里描述的，顶部凸台128是活塞100的筒形外壁112的布置在活塞环凹槽110的最上面的活塞环凹槽与冠表面118之间的部分。传统上，将顶部凸台的高度增加，使得布置在最上面的一个活塞环凹槽110中的最上面的环将更远地远离在气缸内燃料燃烧过程中产生的热。通过建立流场和湍流来促进气缸内的燃烧(这导致更完全的燃料燃烧以及缩短的燃烧持续时间)以及用来制造活塞环的材料和涂层的其它改进，能够减少顶部凸台128的高度以及其在活塞周围产生的死区体积。在示出的实施例中，顶部凸台具有约6mm±0.5mm标称尺寸的高度L(图4)。活塞100具有与170mm的缸孔直径一致的标称外部直径(在裙部处测量时)。这意味着顶部凸台高度和活塞的标称直径之间的比率为大约3.5％或在3％到4.5％之间的范围内。还应该指出，在冠部102内筒形外壁112和碗状结构114之间形成环状油道130(参见图1)，其有助于去除在碗状结构114和冠表面118处产生的热，该热趋于通过传导向最上面的一个活塞环凹槽110和布置在其中的环(未示出)移动。 [0019] 为了形成该环状油道130，在示出的实施例中，利用机床将材料从由金属制成的原始活塞铸件移除。图5中示出了活塞100的一部分的放大细节图。如能够在图5中看到的，该油道在沿着开口132的一端处敞开，在操作过程中，该油道被环状形状的、大致的锥形板134(图1)关闭。该锥形板134保持在布置于开口132的两侧的下表面136和上表面138之间。在该油道内，围绕油道容积形成各种凸表面和凹表面，以大致地遵循外部活塞特征结构(例如碗状结构114、冠表面118和筒形外壁112)的形状。在开口132下面且两个引导表面105和最下面的凸台140之间是当形成通过开口132的环状油道130时用于工具(刀具)进入所需要的轴向距离X。还是如图1所示，该轴向距离X与销孔的直径D的上端至少部分地重叠，这就是为什么两个引导表面105只能部分地支承活塞并且必须使用第二引导表面108来完全支承活塞的原因。此外，轴向距离X还趋于增加在沿着活塞的中心线C的方向上的活塞的总体长度L。活塞100的总体长度L的增加进而增加了活塞的质量，并且还增加了连接有该活塞的发动机曲轴的总体旋转力矩。 [0020] 为了减轻这些问题及其它问题，在图6中示出了用于活塞200的另一设计。活塞200包括与所述活塞100的对应结构和特征相同或类似的各种结构和特征，并且用与之前讨论所用的附图标记和字母相同或类似的附图标记和字母来表示，但是不应该理解为将本发明的范围限制于示出的这些元素。 [0021] 如能够在图6中看到的，两个引导表面105的高度H’比销孔106的直径D长，并且完全覆盖或重叠销孔106的直径D。这意味着活塞200的裙部104完全支承销孔106，从而不需要来自冠部102的筒形外壁112的另外的支承。由于不需要来自筒形外壁112或者其中布置的任何凸台的的支承，因此能够减少筒形外壁112的总体高度，这是因为能减少筒形外壁112和两个引导表面105之间的距离X’，同时仍然保持用于加工环状油道130的充足工具间隙。这样，活塞200的重心能够移动为更接近于布置在销孔106中的销(未示出)的中心线C/L，因此与活塞100(图1)相比，能够减少活塞200的总体重量，并且能够减少安装有该活塞的发动机的曲轴的旋转惯性力矩。 [0022] 工业适用性 [0023] 本发明可应用于用于内燃发动机的活塞，该内燃发动机能够在任何应用(诸如陆基或海基应用)中使用并且能够用于移动或静止应用。已经发现，这里描述的用于活塞特征的各种实施例通过增加动力输出，降低燃料消耗并且降低排放而具有改进发动机操作的优点。 [0024] 在一个分析中，考虑了对于三种活塞设计的根据曲轴旋转角度(CAD)的气缸热释放速率。所述三种活塞设计包括基线活塞，其中碗状结构包括倾角较小(较浅)的周向延伸的壁表面，或者换言之，基线活塞碗状结构的与角度β(参见图3)对应的倾角大于90度。该分析还包括第二中间活塞，其中活塞碗状结构的周向延伸的壁表面大体为筒状，或者换言之，与角度β对应的倾角大约为90度。最后，考虑了第三活塞，其中角度β为大约80度，如例如在图3中所示的活塞100中示出的。另外这三个活塞在相同的发动机操作条件下操作。基于该分析，确定了随着从较小倾角界面到垂直过渡，再到尖锐的凹入过渡的外周壁的角度β，峰值瞬时热释放速率(IHRR)显著增加，这是未曾预料到的。 [0025] 更具体地说，如果用于基线活塞的峰值IHRR被确定为大于0.032(1/CAD)，则用于第二活塞的峰值IHRR为大约0.037，并且用于第三活塞的峰值IHRR为0.042，这表明相比于基线活塞，用于气缸的IHRR增加了大于30％，这是未曾预料到的。在其它测试中，观察到了高达0.055(1/CAD)的峰值IHRR，相比于基线活塞，其增加了约72％。该分析中，在于2220kPa平均有效压力(IMEP)下操作、产生约180ppm的NOx、具有约51℃(IMAT)的进气歧管绝对温度并在上止点(BTDC)前24°进行点火正时的火花点燃的气体发动机上运行用于测量所报告的峰值IHRR的测试条件。可以想到，如这里描述的活塞100的IHRR的增加可能是因为描述在冠表面118上方的区域中气缸内的流体的速度(参见图1)的所谓的挤流速度的增加，且挤流速度对于基线活塞的测量最大值为9.9m/s，对于中间活塞的测量最大值为12.2/s，而对于活塞100(图1)来说测量最大值为14.6m/s，其相比于基础活塞增加了48％。然而，已经发现，基于碗状设计的对于IHRR的改善来说，仅仅存在狭窄的可工作范围。 [0026] 更具体地说，当IHRR增加时难以实现效率收益，因为增加的挤流速度(squish velocity)导致气缸空气系统损失增加(诸如进气系统吸气、热传递等)，这超过了因为IHRR增加给发动机效率带来的任何益处。类似地，降低挤流速度(这会导致IHRR较低)能够影响较高的发动机制动效率并且对于较高的发动机制动效率来说也过小。通常，发动机效率在约4.5％/CAD的IHRR以上时趋于平缓，而诸如用于活塞100的碗状设计(图1)的凹入的碗状设计，能够实现最大可能的IHRR。需要注意的是如图1所示的活塞100提供在4-4.5％/CAD之间的IHRR。 [0027] 已经发现影响例如在气缸内的表观热释放速率下的发动机操作的活塞100(图1)的另一个特征是当过渡部分形成倒角(例如在图1中该倒角由附图标记116表示)时活塞碗状结构边缘或棱边半径的尖锐度。在一个分析中，对其中倒角过渡部分的边缘半径为约5mm的基础活塞、其中边缘半径为约2.5mm的中间活塞和与活塞100(图1)对应的其中边缘半径为约0.25mm的第三活塞，测量了相对于曲柄角度的表观热释放速率(apparent heat release rate,AHRR)。对于这些活塞，对于基线活塞的最大AHRR为约0.84kJ/CAD，对于中间活塞的最大AHRR为约0.88kJ/CAD，但是令人意外的是，对于根据本发明的活塞的最大AHRR为约1.06kJ/CAD，这相比于基线活塞呈现了约26％的增加。表现出了气缸中更高燃烧效率和改进的爆震或引爆安全裕度的更尖锐的碗状结构边缘被认为还通过缩短气缸内的燃料燃烧持续时间而改善了发动机操作。 [0029] 除非这里另有说明或上下文明显矛盾，在描述所公开的实施例的文本中(特别是在下面的权利要求的文本中)使用的措辞“一”和“该”以及“至少一个”等类似提及应该被解释为既覆盖单数又覆盖复数。除非这里另有明确说明或上下文明显矛盾，后面跟着一列一个或多个物体的措辞“至少一个”(例如，A和B中的至少一个)的使用应该被解释为是指从所列物体(A或B)中选择一个物体或者是所列出的物体(A和B)中的两个或更多个的任意组合。除非另有明确说明，措辞“包含”、“具有”、“包括”以及“含有”应该被解释为开放式术语(即，是指“包括但不限于”)。除非这里另有明确说明，此处数值范围的叙述仅仅旨在用作单独地引用落入该范围内的各个离散数值的快捷方法，，并且每个离散数值都被结合在该说明书中，就好像它们已经在这里单独地进行了叙述一样。这里描述的所有方法都可以以任何适当的顺序来执行，除非这里另有明确说明或上下文明显矛盾。除非另有声明，这里提供的任何和所有实施例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅仅是为了更好地阐释本发明，并不是为了限制本发明的范围。说明书中没有任何语言应该被解释为暗示任何非权利要求元素对于本发明的实践是必不可少的。 [0030] 这里描述了本发明的优选示例例。在阅读上述描述之后，这些优选实施方式的变型对本领域技术人员来说可能变得显而易见。能够想到本领域技术人员能够适当地采用这些变型。因而，本发明包括在随附于此的权利要求书中所提到的主题的、为适用法律所允许的所有修改和等价物。而且，除非这里另有指明或上下文明显矛盾，其所有可能变型中的以上描述的元件的任何组合也被本发明所涵盖。 |
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