CN107636276B - 四冲程内燃发动机以及用于该发动机的活塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四冲程内燃发动机，该发动机具有至少一个气缸盖(112)、至少一个气缸(114)和位于每个气缸(114)中的活塞(116)；所述至少一个气缸盖(112)具有至少一个进气门(120)和至少一个排气门(124)；所述活塞(116)具有通过螺钉(144)紧固至彼此的活塞冠(140)和活塞裙(142)；所述活塞冠(140)具有面对所述气缸盖(112)的顶表面(146)；所述顶表面(146)旋转对称并具有中央区域(146’)、凹入的凹腔区域(146”)和边缘区域(146”’)，其中所述中央区域是在所述边缘区域(146”’)上方延伸的***的中央区域(146’)。

Description

四冲程内燃发动机以及用于该发动机的活塞

技术领域

本发明涉及一种四冲程内燃发动机以及用于四冲程内燃发动机的活塞。本发明可应用于所有四行程内燃双燃料发动机或使用奥托循环的四行程内燃单燃料发动机。因而，本发明的发动机至少使用气体燃料，而在双燃料应用中还使用液体燃料。在奥托过程中，燃料可以通过花火、激光或引燃燃料而点燃。

背景技术

大型内燃发动机广泛用在发电厂中的功率供应要求高的任务中或者作为船舶推进***的动力源等等。

在大型内燃发动机中，对于以减少的燃料消耗获得更大功率的要求不断增加。因而，一方面，目标是增加功率比，同时减少由发动机导致的排放。朝向这些结果的第一步骤是使用采用四冲程燃烧循环的发动机，这是因为这种发动机的功率比较高，并且排放低于采用二冲程燃料循环的那些发动机。第二步骤是增加发动机气缸中的平均有效压力，这自然导致峰值气缸压力增加并由此导致活塞以及气缸盖和气缸盖螺栓经受更高的机械应力。第三步骤是保持运动零件的重量尽可能低以便减小发动机的内部质量力，这给发动机的材料和构造特性特别是用于活塞的材料和构造特性带来了更高要求。然而，必须谨记，这种类型的大型发动机在不能牺牲发动机的可靠性的应用中使用，因此必须极其谨慎地进行导致平均有效压力增加和/或发动机部件重量减轻的那些改进，这些改进给发动机的各种零件增加了相对载荷。这导致需要重新考虑、开发并升级这些发动机的所有零件(包括活塞)以安全地吸收增加的载荷。

特别是，四冲程内燃发动机在升高功率比时承受疲劳的能力是本发明的一个目的。在开发满足这些增加要求的活塞的具有挑战性的技术任务的同时，还需要考虑到活塞生产的经济方面。与发动机的任何其它部件一样，优选以活塞单位价格保持得尽可能低的方式来制造活塞。因此，必须发现制造成本和技术优异性之间的适当平衡。活塞的主要操作目标也不能忘记，即，活塞应该能够没有任何问题地在发动机的指定寿命期间工作。

当以活塞的经济生产为目标时，通常的实践是制造所谓的复合活塞来用于大型四冲程内燃发动机。换言之，活塞包括两个部分，即，顶部(所谓的活塞冠)和底部或本体部(所谓的活塞裙)。多年以来，高功率大型内燃发动机的一个未解决的活塞概念是具有钢冠和结节状铸铁或锻钢的裙部的刚性复合活塞。由于活塞冠和活塞裙为单独部件，它们可以由最适合于它们的操作条件的材料制成。换言之，由于活塞冠直接经受热和压力载荷，并且由于燃烧凹腔(bowl)表面与燃烧室紧密连通，因此要求与裙部的要求完全不同，活塞裙是将动力从活塞冠传递至耳轴销(gudgeon pin)和连杆的构件。这种复合活塞构造的另一个优点是可以通过改变活塞冠的高度来调节气缸的压缩比。

活塞冠和活塞裙通过两个或更多个螺钉或通过螺栓和螺母紧固至彼此。活塞冠具有界定燃烧室即面对进气门和排气门以及燃料喷射器的顶表面。活塞冠的至少基本圆柱形的侧表面设置有用于活塞环的多个凹槽。活塞环将活塞和气缸内壁之间的间隙密封，由此活塞环防止燃烧压力从燃烧室逃逸并且从气缸壁刮掉过多润滑油。

在上个世纪，活塞的顶表面已经具有数不清的数量的构造或形状，从完全平坦的平面表面到位于活塞冠内的深燃烧空腔以及圆顶状的略微突出的表面。另外，活塞的顶表面有时设置有用于气门的整形凹陷或凹窝。此外，对活塞顶表面进行整形的一个主要因素经常是期望控制燃烧室中的燃烧过程。

最后，已经发现两种活塞即高度整形活塞(这种活塞因而制造起来比较昂贵)和具有低制造成本的简单“平面头部”活塞之间的良好折衷是活塞冠具有略微整形的顶表面的活塞，即，在侧剖视图中具有图1所示的波浪状顶表面的活塞。例如，在WO-A1-2013182732中就已经讨论了这种活塞。这种现有技术活塞的特色性特征是活塞的顶表面的环状边缘区域和重心基本位于相同水平处。顶表面位于该边缘区域和重心之间的环状区域略微凹入，即，其位于边缘区域的水平下方。环状凹陷区域经常被称为凹腔或凹腔区域。已经知道，燃烧在活塞冠的这种“波浪状”顶表面和气缸盖之间界定的燃烧室中进行的很好。

然而，还已经知道，高燃烧压力和高温度增加了活塞冠经受的应力，由此必须仔细地考虑顶表面设计。进行的实验已经表明，增高活塞冠的顶表面的中央区域将增加活塞冠的强度和抗疲劳性，因而允许使用更高的峰值气缸压力。

在活塞设计中必须考虑的另一个特征是燃烧过程产生的排放。与发动机的HC排放直接成比例的因素是活塞的顶岸(top land)的高度或厚度，即，最上面活塞环凹槽和活塞冠的顶表面的边缘区域之间的距离。换言之，顶岸越高或越厚，HC排放就越高。进行的实验已经教导人们，最上面活塞凹槽的定位取决于燃烧室中的燃烧过程。换言之，活塞的边缘区域经受的热越多，最上面凹槽就应该距离该边缘区域越远地定位。因而，当测试本发明的活塞时，了解到通过适当地设计中央区域和凹陷区域使得燃烧火焰远离活塞和气缸壁之间的间隙指向，则可以减小顶岸高度。

因此，在设计活塞时必须考虑到如下四个事实：1)在活塞的顶表面处需要凹陷以增加就燃烧过程来说有利的湍流和火焰方向；2)活塞冠本身应该尽可能短或低以使活塞长度和重量最小；3)活塞冠的顶部必须承受高燃烧压力和疲劳应力；和4)顶岸的高度或厚度必须在减少HC排放方面进行优化。

上述事实通过增高活塞冠的顶表面的中央区域并给活塞顶表面设置适当尺寸的凹陷区域而得到考虑，由此当与现有技术活塞相比时可以显著地减小顶岸高度。

本发明的目的是通过减少由发动机的内部过程消耗的功率来提高发动机的效率。

本发明的另一个目的是降低制造成本、简化发动机设计，这对活塞组件、耳轴销或连杆的抗疲劳性也具有积极影响。

本发明的又一个目的是重新设计活塞冠的顶表面以满足针对活塞冠的疲劳和冷却特性设置的要求以及针对活塞和活塞冠二者的形状和尺寸因素设置的那些要求，从而降低发动机的HC排放。

发明内容

本发明的至少一个目的通过一种用于四冲程内燃发动机的活塞来基本实现，所述活塞具有紧固至彼此的活塞冠和活塞裙，所述活塞冠具有顶表面、直径Dp以及位于该活塞冠的外圆周中的用于活塞环的凹槽，所述顶表面具有中央区域、凹入的凹腔区域和位于水平面Le处的边缘区域，所述水平面Le是相对于所述活塞的纵向轴线X成直角的基准面，所述凹入的凹腔区域具有低于所述边缘区域的水平面Le的底部，所述中央区域在距基准的所述水平面Le距离Hc处在所述边缘区域上方延伸，其中，所述活塞冠具有顶岸和位于该活塞冠的圆周处的用于最上面活塞环的凹槽，所述顶岸在所述凹槽和所述边缘区域的水平面Le之间的厚度为HI，所述厚度HI为所述直径Dp的3％到10％。

与对应的现有技术发动机相比，根据本发明的四冲程内燃发动机具有如下优点：

·活塞构造比现有技术发动机更可靠；

·活塞比现有技术发动机承受更高机械应力和热应力；

·较低HC排放，并且不会危害冷却和活塞强度；以及

·发动机总体性能提高。

附图说明

在下文中，将参照所附的示例性示意图描述本发明的四冲程内燃发动机以及用于该发动机的活塞，其中：

图1示意性地示出了现有技术四冲程内燃发动机的剖视图；

图2示意性地示出了根据本发明的优选实施方式的四冲程内燃发动机的剖视图；以及

图3示出了根据本发明的优选实施方式的四冲程内燃发动机的局部剖视图，该剖视图是沿着活塞的纵向轴线X剖取的。

具体实施方式

图1是示出了现有技术的四冲程内燃发动机10的剖视图，该剖视图是沿着由气缸的纵向轴线X和曲轴的轴线Xc限定的平面剖取的。发动机10具有这里示意性地示出的至少一个气缸盖12、位于气缸体(未示出)处的至少一个气缸14(部分剖切)、位于每个气缸14中的活塞16和布置在气缸体处的轴承上的曲轴18。气缸盖12包括具有进气通道22的至少一个进气门20和具有排气通道26的至少一个排气门24、以及至少一个燃料喷射器28(假使发动机是这样的，即燃料以更接近于气缸该12和活塞16之间的燃烧室30的方式喷射到气缸内)。在发动机的压缩腔室中喷射主燃料或引燃燃料的发动机(像诸如使用引燃燃料点燃空气燃料混合物的双燃料发动机或燃气发动机)中使用燃料喷射器28。代替燃料喷射器，可以布置用于点燃燃烧室内的空气燃料混合物的装置，像例如火花塞、预热塞、预燃室或其它一些合适的装置。活塞16具有由其轴线32示意性地表示的耳轴销，耳轴销32通过连杆(由线34示意性表示)联接至曲轴18的曲柄销36。气门20和24如虚线38所示根据曲轴18的旋转位置来进行操作，即，例如借助于凸轮轴(未示出)进行操作。

大型四冲程内燃发动机的活塞16由两个部分即活塞冠40和活塞裙42制成，这两个部分例如通过两个或更多个螺钉44紧固至彼此。将活塞冠附装至活塞裙的另一种方式是给活塞冠与燃烧室相反的表面设置中央螺栓，该中央螺栓延伸穿过位于活塞裙的顶部处的开口，从而可以通过从活塞裙内部拧在螺栓上的螺母将活塞裙和活塞冠固定至彼此。活塞冠40具有与气缸盖12一起界定燃烧室30即面对进气门20和排气门24以及燃料喷射器28的顶表面。活塞冠40的至少基本圆柱形的侧表面48设置有用于活塞环(未示出)的多个凹槽50以及位于活塞冠和活塞裙这二者中的冷却腔52。活塞环将活塞16和气缸14的内壁54之间的间隙密封，以防止燃烧压力从燃烧室30逃逸并从气缸壁54刮除润滑油。

然而，当降低发动机的HC排放的期望与高燃烧或峰值气缸压力给活塞冠构造设置的要求以及缩短活塞冠的长度或减小活塞冠的厚度这种稍微反向的期望相组合时，就已经考虑到需要重新设计活塞冠。

图2示出了根据本发明的第一优选实施方式的四冲程内燃发动机的活塞116的剖视图，该剖视图是沿着由气缸的纵向轴线X和曲轴的轴线Xc限定的平面剖取的。对于大部分部件来说，该发动机类似于针对图1讨论的发动机。例如，活塞116由活塞冠140和活塞裙142形成。对于活塞冠140的顶表面146的整形，其尤其可以具有如下变化：1)顶表面146的***的中央区域146’可以关于活塞的轴线X旋转对称；2)该***的中央区域146’可以偏心地机加工(车削)或通过其它一些合适的方式制成，从而使得对称轴线位于活塞的轴线X的一侧，与该轴线X平行或相对于该轴线X倾斜；3)***的中央区域146’可以是圆形区域，但是它也可以是椭圆形区域或者其它一些合适形状的区域；4)该***的中央区域146’可以具有连续曲率，即具有单个曲率中心，但是它也可以由一个或多个平面和/或弯曲的(甚至凹入和/或凸出的)表面形成，顶表面146可以设置有用于一个或多个气门的凹陷或凹窝，或者在顶表面146中可以没有用于气门的凹窝或凹陷；6)凹腔区域146”是在活塞116的半径方向上具有恒定或变化宽度的凹陷环状区域；7)边缘区域146”’是在活塞116的半径方向上优选具有(但不是必须的)恒定宽度的环状区域；8)边缘区域146”’优选是相对于活塞116的轴线X成直角的平面径向表面，然而，该边缘区域146”’可以从该径向平面向任一方向略微倾斜；9)该边缘区域146”’还可以设置有至少一个(但不是必须的)环状凹槽或凹腔或至少一个优选(但不是必须的)环状脊部或鼓出部(具有角或弯曲横截面)。

然而，在活塞116中有一些细节与现有技术发动机不同。首先，活塞冠140的顶表面146已经被重新设计，从而使得顶表面146的(***的)中央区域146’明显高出顶表面146的边缘区域146”’***。然而，凹腔区域146”仍然保持其深度，即，凹腔底部正好位于顶表面146的边缘区域146”’下面。其次，顶岸154即活塞位于最上面活塞环凹槽150’和活塞位于边缘区域146”’处的顶表面之间的实体部分比现有技术构造中的薄，即其在活塞116的纵向轴线X的方向上的尺寸更小。将参照图3更详细地讨论顶表面146和顶岸154的各个部分的尺寸。

图3示出了根据本发明的第一优选实施方式的四冲程内燃发动机10的活塞的横截面，该横截面是沿着活塞的纵向轴线X截取的。图3的的活塞具有直径Dp，凹腔区域146”具有位于等于0.6到0.85个Dp的直径Db处的底部(凹腔的最深点)。凹入的凹腔区域优选(但不是必须的)由在轴向平面中半径Rb等于活塞直径Dp的5％到25％的弯曲环状表面形成。***的中央区域146’的直径Dc可以在0.7到0.85个Db之间变化。对于直径Db，应该理解，它或多或少是平均值，因为凹腔区域的内周边可能未必是精确的圆形，这是因为顶表面的***的中央区域146’可能具有椭圆形或其它非圆形和/或不(以活塞轴线)为中心的形状，由此这可能对凹腔的底部的位置产生影响。对于直径Dc，应该理解，顶表面的***的中央区域146’除了具有圆形和居中形状之外还可以具有椭圆形或其它非圆形和/或不(以活塞轴线)为中心的形状。

对于活塞冠140的顶表面146在活塞116的纵向轴线X的方向上的尺寸来说，将顶表面146的边缘区域146”’，更准确地说，将边缘区域146”’的平均水平面用作基准水平面Le。在边缘区域从径向平面倾斜的情况下，该平均水平面可以限定为该边缘区域上的最上面点和最下面点(在轴向方向上)之间的中途的水平面。当确定水平面时不考虑位于边缘区域中或上的狭窄(小于边缘区域的径向宽度的1/3)的凹槽。***的中央区域146’的最上面或轴向最外部分(优选但不是必须地基本位于顶表面146的中央)在距基准水平面Le轴向距离Hc处在边缘区域146”’上方延伸，并且凹腔区域146”的底部位于该基准水平面Le下方轴向距离Hb处。进行的实验已经表明，凹腔的深度即尺寸Hb应该在活塞116的直径Dp的大约3％到大约10％之间，并且活塞冠140的顶部的高度Hc应该在活塞116的直径Dp的大约3％到大约10％之间。

图3还公开了用于最上面活塞环的凹槽150’的位置。活塞环凹槽和基准水平面Le之间的顶岸154具有高度或厚度HI，根据所进行的测试，该高度或厚度HI应该在活塞116的直径Dp的大约3和大约10％之间。

通过以上面描述的方式来构造活塞冠表面146的凹腔区域146”和***的中央区域146’，可以将最上面(压缩)活塞环更接近活塞的顶表面定位，即，可以减小顶岸154的高度，并由此减小发动机产生的HC排放。原因是，活塞冠表面的***的中央区域146’沿着活塞冠的顶表面146基本径向向外向下地引导燃烧火焰，之后，凹腔区域146”使燃烧火焰方向轻微向上朝向气缸壁和气缸盖转弯，由此燃烧火焰经过最上面活塞环和活塞冠的顶表面的最外面边缘区域，从而防止最上面活塞环和顶表面的径向最外面边缘区域经受最高的潜在热载荷和机械载荷。

尽管这里已经结合当前认为最有优选的实施方式通过示例描述了本发明，但是要理解的是，本发明不限于所公开的实施方式，而是旨在覆盖包含在如所附权利要求限定的本发明的范围内的这些特征的各种组合或修改以及若干其它应用。连同以上任一实施方式一起提到的细节可以与另一个实施方式一起使用，如果这种组合在技术上可行的话。

Claims (8)

1.一种用于四冲程内燃发动机的活塞，所述活塞(116)具有紧固至彼此的活塞冠(140)和活塞裙(142)，所述活塞冠(140)具有顶表面(146)、直径Dp以及位于该活塞冠的外圆周中的用于活塞环的凹槽(150)，所述顶表面(146)具有中央区域(146’)、凹入的凹腔区域(146”)和位于水平面Le处的边缘区域(146”’)，所述水平面Le是相对于所述活塞(116)的纵向轴线X成直角的基准面，所述凹入的凹腔区域(146”)具有低于所述边缘区域(146”’)的所述水平面Le的底部，所述中央区域在距基准的所述水平面Le距离Hc处在所述边缘区域(146”’)上方延伸，

其特征在于，所述活塞冠(140)具有顶岸(154)和位于该活塞冠的圆周处的用于最上面活塞环的凹槽(150’)，所述顶岸在所述凹槽(150’)和所述边缘区域(146”’)的水平面Le之间的厚度为HI，所述厚度HI为所述直径Dp的3％到10％。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述距离Hc为所述直径Dp的3％到10％。

3.根据权利要求1或2所述的活塞，其特征在于，所述凹腔区域(146”)的所述底部距所述水平面Le的距离为Hb，所述距离Hb为所述直径Dp的3％到10％。

4.根据权利要求1或2所述的活塞，其特征在于，所述凹腔区域(146”)的所述底部具有直径Db，所述直径Db等于0.6*Dp到0.85*Dp。

5.根据权利要求4所述的活塞，其特征在于，所述顶表面(146)的所述中央区域(146’)的直径Dc等于0.7*Db到0.85*Db。

6.根据权利要求1或2所述的活塞，其特征在于，所述凹入的凹腔区域(146”)由环状表面形成，该环状表面在轴向平面中的半径Rb等于活塞直径Dp的5％到25％。

7.一种四冲程内燃发动机，该发动机具有至少一个气缸盖(112)、至少一个气缸(114)和位于每个气缸(114)中的活塞(116)，所述至少一个气缸盖(112)具有带有进气通道(122)的至少一个进气门(120)和带有排气通道(126)的至少一个排气门(124)，所述发动机包括前述权利要求中的任一项所述的活塞。

8.根据权利要求7所述的四冲程内燃发动机，其特征在于，所述发动机是双燃料发动机或燃烧气体燃料的发动机。

Images