CN111706442A - 用于内燃机的活塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种活塞(1)，其包括活塞头(3)，环绕的点火带(4)和至少一个环形槽(5)。对于本文的发明至关重要的是：与活塞头(3)邻接的第一点火带部分(7)，与环形槽(5)邻接的第三点火带部分(8)和连接这两个点火带部分(7,8)并设置在它们之间的第二点火带部分(9)；第一点火带部分(7)具有轴向高度h₁，第二点火带部分(9)具有轴向高度h₂，且第三点火带部分(8)具有轴向高度h₃；第一点火带部分(7)具有上外径D₁，第三点火带部分(8)具有下外径D₃，其中，活塞(1)在从第一点火带部分(7)到第二火带部分(9)的过渡部分处具有外径D₁₂，并且在从第二点火带部分(9)至第三火带部分(8)的过渡部分处具有外径D₂₃；适用(D₁₂‑D₂₃)/h₂>(D₂₃‑D₃)/h₃适用。鉴于此，尤其可以减少负面的LSPI效应。

Description

用于内燃机的活塞

技术领域

根据权利要求1的前序部分，本发明涉及一种用于内燃机的活塞，所述用于内燃机的活塞包括活塞头、环绕的点火带和至少一个环形槽，所述环形槽用于容纳活塞环并与点火带邻接。此外，本发明涉及一种具有至少一个此类活塞的内燃机。

背景技术

常规类型的活塞是众所周知的，其中，从活塞头到第一环形槽的外径通常设置在所述活塞的点火带(fire land)上，点火带和气缸壁之间的间隙由于该外径增大而从活塞头向第一环形槽变窄。不言而喻，圆柱形点火带也是周知的。可以分别通过锥形或圆柱形的这种点火带来实现，例如在从点火带到环形槽的过渡处还具有较大的倒角，从而有利于压力波动(pressure surge)直接进入到槽的底部，并由此导致活塞环背面的压力增大，并且作用在所述活塞环上的接触压力也增大。由此特别有利于活塞环的密封作用。

DE 19818169C1公开了一种用于内燃机的活塞，该活塞具有横截面为矩形的环形槽，所述环形槽的与点火带相邻的上侧面在径向向外的方向上以扩散器方式变宽，即具有较大的倒角。因此，活塞环和槽下侧面之间的接触要比以前更快地实现，特别是当来自燃烧室的压力波动通过点火带进入第一环形槽中时，由此所述活塞环在槽下侧面抵靠更长的时间，并且因此可以实现从活塞到气缸工作面的热传递的改善。由于该原因，还可以降低在相应的环形槽中油碳化的风险。

DE 3407405C1公开了另一种用于内燃机的常规类型的活塞，所述活塞设置在工作平面的区域中，这些工作平面布置成相对于具有锥度的所述活塞的活塞销轴线偏移90°，这些锥度旨在防止活塞头抵靠在气缸壁上。

然而，在这种类型的间隙中，即在点火带和气缸壁之间从活塞头到第一环形槽变窄，不利的是，流入所述间隙的压力波动被进一步放大。在某些情况下，通过所述放大的压力波动会产生压力峰值，尤其是在所谓的低速提前点火(LSPI)情况下，所述压力峰值潜在地增加了点火带向上破裂并因此进入燃烧室，或者位于第一环形槽和第二环形槽之间的点火带向下破裂的危险，这必须不惜一切代价避免。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种对于常规类型的活塞是改进的或至少是可替代的实施方式，所述实施方式尤其是至少使在活塞的点火带下方的压力增加最小化，并因此使点火带破裂的风险最小化。

根据本发明，上述目的通过独立权利要求1的主题来实现。有利的实施方式是从属权利要求的主题。

本发明是基于不减小气缸壁与活塞之间的间隙的总体构思，该间隙是从活塞头经由点火带沿着与点火带相邻的环形槽的方向延伸，因此导致压力增大，而不是使所述间隙变大，并且同样地构造了从点火带到环形槽的理想的陡边(sharp-edged)过渡部分，也就是说没有倒角(chamfer)或仅具有最小倒角，从而降低点火带下方的压力增大。由于由较微小的径向空隙引起的活塞头处的气缸壁与活塞之间相对紧密的间隙，当出现LSPI效应(提前点火)时，阻止了压力波动从燃烧室进入到活塞头与气缸壁之间的间隙中。其中，压力同时由于间隙而减小，该间隙以扩散器的方式向下变宽，也就是说沿环形槽的方向变宽，并且通过从点火带到环形槽的陡边过渡可以避免环形槽中压力的任何剧烈增加。在此，根据本发明的活塞包括活塞头、环绕的点火带和至少一个环形槽，该环形槽与点火带邻接，用于容纳活塞环。根据本发明，第一点火带部分与活塞头邻接，而第三点火带部分设置成与环形槽邻接。这里的第一点火带部分和第三点火带部分通过设置在它们之间的第二点火带部分连接。第一点火带部分具有轴向高度h₁，第二点火带部分具有轴向高度h₂，第三点火带部分具有轴向高度h₃。此外，第一点火带部分具有上外径D₁，第三点火带部分具有下外径D₃，其中，在从第一点火带部分到第二点火带部分的过渡部分处的活塞具有外径D₁₂。并且，在从第二点火带部分到第三点火带部分的过渡部分处具有外径D₂₃。根据本发明，它还适用于：

(D₁₂-D₂₃)/h₂>(D₂₃-D₃)/h₃。

由此可以实现，从第一点火带部分开始的位于活塞与气缸壁之间的间隙通过第二点火带部分增大至第三点火带部分。这里，整个第一点火带部分的外径大于第三点火带部分的最大外径。由于根据本发明的点火带的设计实施方式，首次在活塞头的区域内实现了相对于气缸壁相对微小的径向空隙，从而实现了相对微小的间隙，当发生提前点火时，该相对微小的间隙会阻止压力波动的进入。而且，由于间隙从第一点火带部分开始，沿着第三点火带部分的方向，因此沿着与第三点火带部分邻接的环形槽的方向，变宽，因此可以实现压力降低，由此可以显著降低点火带破裂的风险以及布置在环形槽下方的点火带破裂的风险。

根据本发明解决方案的一种有利的改进方案，在从活塞头开始至第一点火带部分的过渡部分处，和/或在从第三点火带部分到环形槽的过渡部分处，分别不设置倒角，或者设置有轴向倒角高度h_F至多为0.5mm，优选至多为0.2mm的倒角。由于在从第三点火带部分到环形槽的过渡部分处分别省略了倒角或仅设置了非常小的倒角，因此额外阻止了压力向环形槽中的传播，类似地降低了点火带破裂的风险。由于在从活塞底部到第一点火带部分的过渡部分处分别省略了倒角或仅设置了非常小的倒角，所以阻止了压力传播至活塞和气缸壁之间的间隙中。

在根据本发明解决方案的一种有利的改进方案中，第二点火带部分构造成圆锥形的(在横截面中)，其中，第二点火带部分中的外径沿着第三点火带部分的方向以连续(consistent)或一致的(monotonous)方式减小。因此，可以实现在活塞和气缸壁之间的环形间隙的连续的增加，这有助于逐渐降低当不需要的压力波动进入时的压力。

在根据本发明解决方案的又一有利实施方式中，第二点火带部分的外径减小约0.5mm，使得适用(D₁₂–D₂₃)≈0.5mm。这种减小涉及点火带的轴向高度为4.5mm～7mm，优选约5.25mm的活塞。这种类型的汽油发动机通常被涡轮增压，以提高所述汽油发动机的输出并减少其功耗，因此，将实现高扭矩，尤其是在低转速的情况下。优选在这种涡轮增压的汽油发动机的情况下，精确地发生LSPI(提前点火)。其确切的物理和化学根本原因尚不清楚，本文中的一种理论认为油滴通过活塞和气缸壁之间的间隙进入燃烧室，所述燃烧室中的油滴与燃料混合并自动点火。另一种理论认为，沉积物是点火的根本原因。通过将第二点火带部分的外径减小约0.5mm，可以显著降低压力。这种压力降低至少使点火带破裂的风险降到最低。

在根据本发明解决方案的另一有利实施方式中，适用h₁+h₃＝h₂。因此，第一点火带部分和第三点火带部分的轴向高度h₁和h₃共同对应于第二点火带部分的轴向高度h₂。在此还可以适用的是，第一点火带部分具有与第三点火带部分相同的轴向高度h₁，使得适用h₁＝h₃。在该特殊设计的实施方式的情况下，已经证明，可以优化降压效果以及防止压力波动从第三点火带部分过渡到环形槽中。

在根据本发明的解决方案的一个替代实施方式中，第二点火带部分具有台阶或是台阶，其中在从第二点火带部分到第三点火带部分的过渡部分处的外径D₂₃以逐步的(stepped)方式/突然的(abrupt)方式减小。本文中的台阶可以相对于活塞轴线径向地延伸或者相对于活塞轴线稍微倾斜地延伸。由于第二点火带部分中的外径以这种逐步的方式减小，因此当压力波动从燃烧室进入时可以在第二点火带部分的区域中实现压力的突然降低。

在根据本发明的活塞的一个替代实施方式中，第二点火带部分以曲线的方式构造，其中第二点火带部分的外径在第三点火带部分的方向上以连续且一致的曲线方式减小，但在轴向高度上观察时强度可变。因此，外径以连续且一致的方式从D₁₂减小到D₂₃。这里的第一点火带部分具有轴向高度h₁，而第二点火带部分具有轴向高度h₂，第三点火带部分具有轴向高度h₃，其中适用h₁+h₃＝h₂且h₁＝h₃。因此，第一点火带部分和第三点火带部分具有相同大小的轴向高度h₁、h₃，其总是分别为第二点火带部分的轴向高度h₂的大小的一半。因此，特别是可以提供第三点火带部分的圆柱形部分，该圆柱形部分实现了向环形槽的陡边过渡。

可以有利地设置，第一点火带部分构造成圆柱形的，即D₁＝D₁₂，或者在第二点火带部分的过渡部分，上外径D₁沿外径D₁₂的方向以连续和/或一致的方式减小。额外地或可替代地，也可以规定，第三点火带部分构造成圆柱形的，即D₂₃＝D₃，或者外径D₂₃在环形槽的方向上以连续和/或一致的方式减小。因此，可以实现特别是在第一点火带部分和/或第三点火带部分中是圆柱形的并且因此易于制造的活塞。在本申请中，“连续的(consistent)”应理解为没有跳跃(但可能包括起伏)，“一致的(monotonous)”应理解为没有反向倾斜，但可选地具有圆柱形部分，因此不一定“严格一致”，或者甚至具有跳跃。从纯理论上讲，第一点火带部分和第三点火带部分也可以构造为圆锥形的，鼓出的或喇叭形的，或其组合。在任何情况下，只有第二点火带部分不是圆柱形的。

此外，本发明基于总体构思，该总体构思规定了包括气缸以及布置在所述气缸中的活塞的内燃机，其对应于前文，因此，在提前点火的效果以及点火带破裂的相关风险方面，根据本发明的内燃机可以得到显著改善。在此，第三点火带部分与气缸的气缸壁的间距a₃可以为0.69mm，而第一点火带部分可以具有0.44mm的间距a₁。因此，横截面减小为0.5mm，也就是说，半径减小为0.25mm。这尤其是指相对较小的汽油发动机的活塞，该活塞的点火带的轴向高度大约为5mm。LSPI效应特别是在这些涡轮增压汽油发动机的情况下显著地出现，使得本发明在这种情况下具有特别的益处。

本发明的其他重要特点和优点从从属权利要求、附图以及借助附图的相关附图说明中得出。

不言而喻，在不脱离本发明范围的情况下，上述所述的特征以及在下文中将要解释的特征不仅可以以上述各个组合使用，也可以以其它组合或者单独使用。

附图说明

在附图中示出了本发明的优选示例性实施方式，并且在下面的描述中将对本发明的优选示例性实施方式进行更详细的解释，其中，相同的附图标记表示相同或相似或功能上等效的部件。

在附图中，分别以示意性方式，

图1示出了根据本发明的内燃机的截面图，该内燃机包括根据本发明的对应于第一实施方式的活塞；

图2示出了根据本发明的内燃机的截面图，该内燃机包括根据本发明的对应于第二实施方式的活塞；

图3示出了根据本发明的内燃机的截面图，该内燃机包括根据本发明的对应于第三实施方式的活塞；

图4示出了根据本发明的内燃机的截面图，该内燃机包括根据本发明的对应于第四实施方式的活塞；

图5示出了根据本发明的内燃机的截面图，该内燃机具有根据本发明的对应于第五实施方式的活塞；且

图6示出了根据本发明的内燃机的截面图，该内燃机包括根据本发明的对应于第六实施方式的活塞。

具体实施方式

对应于图1至图6，根据本发明的用于内燃机2的活塞1包括活塞头3、环绕的点火带4以及至少一个环形槽5，该用于容纳活塞环6的环形槽5与点火带邻接。现根据本发明提供的是与活塞头3邻接的第一点火带部分7，与环形槽5邻接的第三点火带部分8以及第二点火带部分9，第二点火带部分9连接两个点火带部分7、8并设置在它们之间。环形槽5具有槽侧面12、12'，槽侧面12、12'优选地相对于活塞轴线11平行且沿径向方向10延伸，具体为一个活塞头近端的槽侧面12和一个活塞头远端的槽侧面12'。第一点火带部分7具有轴向高度h₁，第二点火带部分9具有轴向高度h₂，第三点火带部分8具有轴向高度h₃。第一点火带部分7具有上外径D₁，第三点火带部分8具有下外径D₃，其中，在从第一点火带部分7到第二点火带部分9的过渡部分处的活塞1具有外径D₁₂，并且在从第二点火带部分9到第三点火带部分8的过渡部分处具有外径D₂₃。现在根据本发明适用：

(D₁₂-D₂₃)/h₂>(D₂₃-D₃)/h₃。

换言之，这意味着第一点火带部分7的外径大于第三点火带部分8的外径，第二点火带部分9的外径从D₁₂减小到D₂₃。这种减少以一致的方式(参见图1、2、5和6)或以逐步的方式(参见图3和4)进行，其中第三点火带部分8可以构造为圆柱体，以具有外径D₂₃＝D₃。可选地，在第三点火带部分8的区域中，外径D₂₃也可以沿环形槽5的方向以连续和/或一致的方式减小。

在从活塞头3到第一点火带部分7和/或从第三点火带部分8到环形槽5的过渡部分处，分别可不设置倒角13，或者分别设置有轴向倒角高度h_F至多为0.5mm，优选至多为0.2mm的倒角13。在此，倒角高度h_F是轴向高度h₁或h₃的组成部分。因此，可以实现从活塞头3到第一点火带部分7或从第三点火带部分8到环形槽5的比较陡直(sharp)的过渡。

通过根据本发明构造的点火带4，保持分别在活塞1的活塞头3或第一点火带部分7的区域中的活塞1与气缸壁14之间的间距a₁较小是可能的，由此至少阻止了压力波动从燃烧室15侵入到气缸壁14与点火带4之间的间隙16中。考虑到点火带4与气缸壁14的间距a，以及外径D的减小，可以实现一种扩散器，通过该扩散器可以减小从燃烧室15侵入间隙16的压力波动的压力水平，该间距a沿第三点火带部分8的方向增大。此外，由于从第三点火带部分8进入环形槽5的活塞头近端槽侧面12的相对较陡的过渡部分，可以防止压力波动侵入环形槽5中，由此可以显著降低点火带4破裂的危险。

如图1和图2所示，第二点火带部分9在此构造成圆锥形的，其中第二点火带部分9中的外径，沿着第三点火带部分8的方向从D₁₂开始延伸，沿D₂₃方向以连续或一致的方式减小。这里的外径D总是以从活塞轴线11沿径向方向10延伸的方式确定的，并且以类似于相关的点火带部分7、8、9的方式设置有附图标记。

第一点火带部分7可以构造为圆柱形，即D₁＝D₁₂，或者上外径D₁可以在外径D₁₂的方向上以连续和/或一致的方式减小。总体上，这里的第二点火带部分中的外径可以减小大约0.5mm，因此可以实现间隙加宽Δa＝a₃–a₁＝0.25mm。这些尺寸尤其适用于活塞1，其具有的点火带4的轴向总高度为大约5mm。

此外，观察图1至图6可以看出，第一点火带部分7具有轴向高度h₁，第二点火带部分9具有轴向高度h₂，第三点火带部分8具有轴向高度h₃，其中从图1可知，第一点火带部分和第二点火带部分7、9的轴向高度h₁和h₂的总和大约等于第三点火带部分8的轴向高度h₃。在图2所示的活塞1中，第一点火带部分7的轴向高度h₁显著更大，并且基本上对应于第三点火带部分8的轴向高度h₃，其中适用第一和第三点火带部分7、8的两个轴向高度h₁和h₃之和大致对应于第二点火带部分9的轴向高度h₂。因此，适用h₁+h₃＝h₂，其中适用h₁＝h₃。

如图3和图4所示，第二点火带部分9分别被构造为台阶18或具有这种类型的台阶18，其中，在第二点火带部分9到第三点火带部分8的过渡部分处的外径D₁₂至D₂₃以分步的方式减小，即分别以不连续或突然的方式减小。在此例如可以适用的是，第三点火带部分8的轴向高度h₃大约是第一点火带部分7的轴向高度h₁的三倍(参见图3)，使得适用h₃＝3h₁。

可替代地，还可以想到，第一点火带部分7的轴向高度_h1大约对应于第三点火带部分8的轴向高度h₃，使得在这种情况下，以下公式适用：h₃＝h₁或h₃≈h₁。在第二点火带部分9中的台阶型过渡的情况下，第二点火带部分9具有接近于零的轴向高度h₂。因此，外径D₁₂和外径D₂₃在图3和图4中的上方和下方绘制。

参照图5和图6，观察根据本发明的活塞1的实施方式可以看出，第二点火带部分9以曲线的方式构造，其中，外径以连续且一致但非圆锥的方式从D₁₂到D₂₃减小。当然，这里的“圆锥形”是指第二点火带部分9的横截面形状。在根据图5所示的实施方式的情况下，例如适用h₂＝h₃，而在第二情况下适用。在根据图6所示的实施例中，适用：h₁+h₃＝h₂并且h₁＝h₃。在根据本发明的活塞1的情况下，轴向高度h₁+h₂+h₃的总和可以为大约5.25mm。

在从活塞头3到第一点火带部分7和/或从第三点火带部分8到环形槽5的过渡部分处，分别没有设置倒角13，或者分别设置有轴向倒角高度h_F至多为0.5mm的倒角13，优选至多0.2mm。

通过根据本发明的活塞1，并且因此也通过根据本发明的内燃机2，可以在内燃机2的气缸壁14与分别在活塞头3的区域中或在第一点火带部分7的区域中的活塞1之间保持相对小的间距a₁，由于这些原因，阻止了压力波动侵入到间隙16中，特别是在提前点火的情况下。

由于间隙16的间隙宽度(间距a₃)在第三点火带部分8的方向上变宽，因此可以实现压力水平的降低，其中，同时由于以圆柱体形式设计的第三点火带部分8以及从第三点火带部分8开始至环形槽5中的陡边过渡部分，因此可以防止压力波动侵入环形槽5中，并且可以同时减少点火带4破裂的风险。总体上，低速提前点火(LSPI)的负面影响因此可以得到大幅降低。

Claims (15)

1.一种用于内燃机(2)的活塞(1)，包括活塞头(3)、环绕的点火带(4)和用于容纳活塞环(6)的至少一个环形槽(5)，所述至少一个环形槽(5)与所述点火带(4)邻接，其特征在于，

设置有与所述活塞头(3)邻接的第一点火带部分(7)，与所述环形槽(5)邻接的第三点火带部分(8)，以及连接这两个点火带部分(7,8)并设置在这两个点火带部分(7,8)之间的第二点火带部分(9)；

所述第一点火带部分(7)具有轴向高度h₁，所述第二点火带部分(9)具有轴向高度h₂，且所述第三点火带部分(8)具有轴向高度h₃；

所述第一点火带部分(7)具有上外径D₁，所述第三点火带部分(8)具有下外径D₃，其中，所述活塞(1)在从所述第一点火带部分(7)到所述第二火带部分(9)的过渡部分处具有外径D₁₂，并且在从所述第二点火带部分(9)至所述第三火带部分(8)的过渡部分处具有外径D₂₃；

适用(D₁₂-D₂₃)/h₂>(D₂₃-D₃)/h₃。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于：

第二点火带部分(9)构造成圆锥形，其中，所述第二点火带部分(9)的外径沿第三点火带部分(8)的方向以连续或一致的方式减小。

3.根据权利要求2所述的活塞，其特征在于，适用(D₁₂-D₂₃)≈0.5mm。

4.根据前述权利要求中的一项所述的活塞，其特征在于，在从所述活塞头(3)到所述第一点火带部分(7)的过渡部分处，和/或从所述第三点火带部分(8)到所述环形槽(5)的过渡部分处，分别不存在倒角(13)或分别存在轴向倒角高度h_F至多为0.5mm，优选至多为0.2mm的倒角(13)。

5.根据前述权利要求中的一项所述的活塞，其特征在于，适用h₁+h₃＝h₂。

6.根据权利要求4所述的活塞，其特征在于，适用h₁＝h₃。

7.根据权利要求1至4中的一项所述的活塞，其特征在于，所述第二点火带部分(9)具有台阶(18)或者是台阶(18)，其中，从所述第二点火带部分(9)到所述第三点火带部分(8)的过渡部分处的外径D₂₃以逐步的方式/突然的方式减小。

8.根据权利要求7所述的活塞，其特征在于，适用h₃＝h₁或h₃＝3h₁。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的活塞，其特征在于，所述第二点火带部分(9)以曲线方式构造，其中，外径以连续且一致的方式从D₁₂到D₂₃减小。

10.根据权利要求9所述的活塞，其特征在于，适用h₁+h₃＝h₂和h₁＝h₃。

11.根据前述权利要求中的一项所述的活塞，其特征在于，适用h₁+h₂+h₃＝5.25mm。

12.根据前述权利要求中的一项所述的活塞，其特征在于，所述环形槽(5)还包括活塞头远端的槽侧面(12')，其中，活塞头近端的槽侧面(12)和活塞头-远端槽侧面(12')沿径向(10)平行地延伸。

13.根据前述权利要求中的一项所述的活塞，其特征在于，所述第一点火带部分(7)被构造为圆柱形，即D₁＝D₁₂，或者在向所述第二点火带部分(9)的过渡部分处，外径D₁沿着外径D₁₂的方向以连续和/或一致的方式减小。

14.根据前述权利要求中的一项所述的活塞，其特征在于，所述第三点火带部分(8)构造为圆柱形，即D₂₃＝D₃，或者外径D₂₃沿所述环形槽(5)的方向以连续和/或一致的方式减小。

15.一种内燃机(2)，包括气缸，和设置在所述气缸中的根据前述权利要求中的一项所述的活塞(1)。

Images