專利名稱：用于氣缸直接噴射火花點火內(nèi)燃發(fā)動機的活塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣缸直接噴射火花點火內(nèi)燃發(fā)動機中的改進(jìn)，更確切地說涉及用于該發(fā)動機的活塞的活塞頭的形狀的改進(jìn)，以便使有效的分層充氣(混合氣)燃燒和有效的均一充氣燃燒彼此相容(兼容)。
背景技術(shù)：
常規(guī)的氣缸直接噴射火花點火內(nèi)燃發(fā)動機的活塞帶有一個凸出的活塞頭，該活塞頭被制成帶有一個形成燃燒室一部分的凹坑或凹陷，例如像日本專利臨時公報第8-312354號中所公開的那樣。該凹坑帶有一個大體上圓形的周邊部，該周邊部是尖劈式的，以便形成一個山脊線。該凹坑被制成相對于氣缸中心線朝一個進(jìn)氣氣門偏移。燃油在壓縮行程中從一個燃油噴射閥向該凹坑噴射，以便在火花塞周圍集中地形成分層充氣的一個富油層，借此實現(xiàn)分層充氣燃燒。否則，燃油在進(jìn)氣行程中根據(jù)發(fā)動機的工況來噴射，以便使燃油在整個燃燒室中擴散。這在燃燒室中形成均一充氣，借此實現(xiàn)均一充氣燃燒。
然而，以上常規(guī)活塞被制成在其活塞頭部帶有平坦壁表面，該壁表面位于山脊線外側(cè)并在凹坑的右側(cè)和左側(cè)，以便與一個通過各設(shè)有活塞的一組氣缸的軸線的假想豎直平面相平行地延伸。在每個平坦壁表面的對側(cè)形成傾斜壁表面，以便朝活塞頭的周邊向下傾斜。平坦壁表面被布置成橫穿燃燒室并靠近凸出的活塞頭頂部。因此，這些平坦壁表面視為用作位于凹坑內(nèi)側(cè)與外側(cè)之間的投射壁，由此當(dāng)在進(jìn)氣行程中在燃油噴射時進(jìn)行均一充氣燃燒時降低燃燒性能。
更具體地說，該投射壁妨礙霧化燃油流在凹坑內(nèi)側(cè)與外側(cè)之間流動。因此，霧化燃油不可避免地傾向于在凹坑內(nèi)側(cè)滯留，致使空氣燃油混合氣局部滯留，從而妨礙均一空氣燃油混合氣或充氣的形成。此外，妨礙霧化燃油的氣化，從而使得在燃燒室內(nèi)空氣燃油混合氣的均一化不充分。再者，該投射壁使得凹坑的內(nèi)側(cè)和外側(cè)不連續(xù)，因而在凹坑外側(cè)不能得到有效的燃燒，從而降低均一充氣燃燒性能。
此外，在目前情況下，從改善均一充氣燃燒而同時防止燃燒性能在凹坑的影響下降低的觀點來說，傾斜壁表面的傾斜角度之類尚未被設(shè)定于最佳范圍。
發(fā)明的公開本發(fā)明的一個目的在于，提供一種改進(jìn)了的用于氣缸直接噴射火花點火內(nèi)燃發(fā)動機的活塞，該活塞能有效地克服在常規(guī)的用于氣缸直接噴射火花點火內(nèi)燃發(fā)動機的活塞中所遇到的缺點。
本發(fā)明的另一個目的在于，提供一種改進(jìn)了的用于氣缸直接噴射火花點火內(nèi)燃發(fā)動機的活塞，由于在活塞頭處形成一個凹坑，該活塞能改善發(fā)動機的均一充氣燃燒性能而不降低發(fā)動機的分層充氣燃燒性能。
本發(fā)明的又一個目的在于，提供一種改進(jìn)了的用于氣缸直接噴射火花點火內(nèi)燃發(fā)動機的活塞，其中活塞的活塞頭形狀被優(yōu)化，以便在發(fā)動機的燃燒室中進(jìn)行相容的均一充氣燃燒和分層充氣燃燒兩者。
本發(fā)明的一個方面在于，一種用于氣缸直接噴射火花點火內(nèi)燃發(fā)動機的活塞。該活塞包括一個包括凸出部的活塞頭，該凸出部從一個垂直于該活塞的中心線的標(biāo)準(zhǔn)水平平面突出。該凸出部帶有一個其周邊形成一條大體上圓形的山脊線的凹坑，以及一個在該山脊線外側(cè)形成的并朝著該活塞頭的周邊延伸的傾斜表面。該傾斜表面沿從山脊線到活塞周邊的方向連續(xù)向下傾斜。該傾斜表面相對于該標(biāo)準(zhǔn)水平平面形成一個從10°到60°范圍的角度(θ1)。
本發(fā)明的另一個方面在于，一種用于氣缸直接噴射火花點火內(nèi)燃發(fā)動機的活塞。該活塞包括一個包括凸出部的活塞頭，該凸出部從一個垂直于該活塞的中心線的標(biāo)準(zhǔn)水平平面突出。該凸出部帶有一個其周邊形成一條大體上圓形的山脊線的凹坑，以及一個在該山脊線外側(cè)形成的并朝著該活塞頭的周邊延伸的傾斜表面。該傾斜表面沿從山脊線到活塞周邊的方向連續(xù)向下傾斜。該傾斜表面相對于標(biāo)準(zhǔn)水平平面形成一個從10°到60°范圍的角度(θ1)。該凹坑具有一個在從3至9mm范圍內(nèi)的深度(A)，該深度是凹坑的底部表面與活塞的該標(biāo)準(zhǔn)水平平面之間的軸向距離。此外，凹坑由一個大體上環(huán)形的側(cè)壁表面來界定，該側(cè)壁表面由在一個包括該活塞的中心線和該凹坑的中心線的豎直平面內(nèi)的第1和第2對峙的曲線段來表達(dá)。第1曲線段被布置成比第2曲線段更靠近火花塞。第1曲線段具有從5至20mm范圍內(nèi)的曲率半徑。
本發(fā)明的又一方面在于，一種氣缸直接噴射火花點火內(nèi)燃發(fā)動機，該內(nèi)燃發(fā)動機包括一個帶有一組氣缸的氣缸體。一個氣缸頭固定地安裝在該氣缸體上。進(jìn)氣氣門和排氣氣門可動地設(shè)置于該氣缸頭。設(shè)置一個燃油噴射閥，以便把燃油直接噴入對應(yīng)于每個氣缸所形成的燃燒室。這樣設(shè)置一個火花塞，致使其前端部伸進(jìn)該燃燒室。一個活塞可動地設(shè)置在氣缸內(nèi)，以便在它與氣缸頭之間界定該燃燒室。該活塞包括一個帶有凸出部的活塞頭，該凸出部從一個垂直于該活塞的中心線的標(biāo)準(zhǔn)水平平面突出。該凸出部帶有一個其周邊形成一條大體上圓形的山脊線的凹坑。該凹坑有一條從活塞的中心線朝著進(jìn)氣氣門偏移的中心線，以及一個在山脊線外側(cè)形成的并朝著活塞頭的周邊延伸的傾斜表面。該傾斜表面沿從山脊線到活塞頭周邊的方向連續(xù)向下傾斜。該傾斜表面相對于該標(biāo)準(zhǔn)水平平面形成一個從10°到60°范圍的角度。
根據(jù)本發(fā)明，在活塞頭處，在環(huán)繞凹坑的山脊線外側(cè)沒有形成平坦表面，致使該傾斜表面從頂部朝活塞頭的周邊部連續(xù)向下傾斜。此外，該傾斜表面相對于垂直于活塞中心線的水平平面的傾斜角度被優(yōu)化在從10°至60°的范圍之內(nèi)。結(jié)果，在凹坑的影響下實現(xiàn)有效的分層充氣燃燒。此外，在均一充氣燃燒期間，可以保證凹坑內(nèi)側(cè)與外側(cè)之間有效的氣流，借此有效地促進(jìn)空氣燃油混合氣的均一化，而同時減小活塞的表面面積，以便降低發(fā)動機的冷卻損失。
附圖的簡要說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的用于氣缸燃油噴射火花點火內(nèi)燃發(fā)動機的活塞的一個實施例的活塞頭的透視圖；圖2A是圖1的活塞的俯視圖；圖2B是基本上沿圖2A的2B-2B線所截取的箭頭方向的局部剖視圖；圖2C是基本上沿圖2A的2C-2C線所截取的箭頭方向的局部剖視圖；圖3是表示與圖1的活塞有關(guān)的燃油噴射閥與火花塞之間的位置關(guān)系的局部剖視圖；圖4是表示圖1的活塞的凸出部的傾斜表面的表面傾斜角度的最佳范圍的曲線圖；圖5是表示在圖1的活塞的凸出部中所形成的凹坑的深度(A)的最佳范圍的曲線圖；圖6是表示在圖1的活塞的凸出部中所形成的凹坑的總深度(B)的最佳范圍的曲線圖；圖7是表示與圖1的活塞有關(guān)的總深度(B)對活塞行程(S)之比(B/S)的最佳范圍的曲線圖；圖8是表示在圖1的活塞的凸出部中所形成的凹坑的彎曲側(cè)壁表面的曲率半徑(R)的最佳范圍的曲線圖；圖9是相當(dāng)于圖2B但圖示活塞頭的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的局部放大剖視圖；圖10是類似于圖9但表示根據(jù)本發(fā)明的一個活塞的修改例的局部放大剖視圖；圖11是表示與在圖9中活塞的凸出部中所形成的凹坑的壁面相對應(yīng)的直線段(G2)的長度(L)的最佳范圍的曲線圖；
圖12是表示圖11中直線段(G2)的傾斜角度(θ2)的最佳范圍的曲線圖；圖13是類似于圖2B但表示根據(jù)本發(fā)明的另一個活塞的修改例的局部放大剖視圖；圖14是類似于圖1但表示根據(jù)本發(fā)明的又一個活塞的修改例的透視圖；圖15A是類似于圖2A但表示圖14的活塞的俯視圖；圖15B是類似于圖2B但表示圖14的活塞的局部剖視圖；圖15C是類似于圖2C但表示圖14的活塞的局部剖視圖；圖16A、16B和16C是分別類似于圖15A、15B和15C的視圖，用來解釋與由圖14的活塞所界定的燃燒室有關(guān)的面積比[(S2/S)×100％]；以及圖17是表示在圖16A、16B和16C中所解釋的面積比的最佳范圍的曲線圖。
實現(xiàn)發(fā)明的最佳方式現(xiàn)在參照附圖中的圖1至圖4，根據(jù)本發(fā)明，一個氣缸直接噴射火花點火內(nèi)燃發(fā)動機的活塞的實施例由標(biāo)號1來圖示。該發(fā)動機用于例如汽車并且?guī)в幸唤M氣缸，雖然未畫出，每個氣缸設(shè)有一個活塞1?；钊?帶有一個圓形的活塞頭1a，該活塞頭帶有一個大體上環(huán)形的標(biāo)準(zhǔn)平坦表面2，此表面是沿活塞頭1a或活塞1的周邊形成的。活塞頭1a在環(huán)形標(biāo)準(zhǔn)平坦表面2內(nèi)的一部分向外突出而形成一個大體上圓錐形的凸出部P，該凸出部具有大體錐形或傾斜的表面3。凸出部P被制成帶有一個大體上圓形的具有盆地狀或盤子狀的凹坑4。凹坑4有一條中心線CC，該中心線從活塞1的中心線PC朝一個(些)進(jìn)氣氣門(未畫出)偏移。凹坑4的中心線CC平行于活塞1的中心線PC。凹坑4帶有一個大體上圓形的底部平坦表面4a。上述環(huán)形標(biāo)準(zhǔn)平坦表面2被包含在一個標(biāo)準(zhǔn)水平平面HP內(nèi)，中心線PC與該平面相垂直。
因此，一條大體上環(huán)形的山脊線5沿凹坑4的周邊形成而環(huán)繞凹坑4。這里，應(yīng)該指出，在山脊線5的徑向朝外的一側(cè)不形成平坦段。于是，凸出部P的傾斜表面3從山脊線5朝環(huán)形標(biāo)準(zhǔn)平坦表面2連續(xù)向下傾斜。傾斜表面3基本上形成一個圓錐形表面的一部分。環(huán)形標(biāo)準(zhǔn)平坦表面2的一個主要部分具有從1.5至2.0mm范圍的小寬度并在活塞1的生產(chǎn)期間被用作一個標(biāo)準(zhǔn)表面。活塞1的凸出部P被制成帶有一個和緩的斜坡表面6，如圖2B中所示，該表面的坡度比傾斜表面3和緩些。此一和緩的斜坡表面6抑制凸出部P頂部的高度。
這里，將參照圖3來討論凹坑4、燃油噴射閥12和火花塞13之間的位置關(guān)系。氣缸直接噴射火花點火內(nèi)燃發(fā)動機包括一個氣缸頭10，該氣缸頭固定地安裝在氣缸體15上，該氣缸體被制成帶有一些氣缸C?；钊?可滑動運動地裝在每個氣缸C中。對應(yīng)于每個氣缸C所形成的燃燒室M，氣缸頭10被制成帶有構(gòu)成燃燒室一部分的凹腔D。燃油噴射閥12安裝于氣缸頭10并帶有一個燃油穿過它而噴射的前端部(未標(biāo)出)，該前端部在一個包括氣缸頭10的底部平坦表面10a的水平平面內(nèi)被從一個(些)進(jìn)氣氣門11徑向朝外地布置。底部平坦表面10a與氣缸體15的頂部平坦表面或氣缸體蓋板15a相平行。燃油噴射閥適于直接向燃燒室M內(nèi)噴射燃油。燃油噴射閥12被這樣布置，即它的軸線(未畫出)指向凹坑4內(nèi)?；鸹ㄈ?3被這樣布置，即它的前端部(設(shè)有電極)位于凹坑4的一個環(huán)形周邊部(未標(biāo)出)的一部分的上方。火花塞13的軸線13a從氣缸C的中心線Xc偏移。一個(些)排氣氣門14被布置在一個包括氣缸C中心線Xc的豎直平面的相對于該(諸)進(jìn)氣氣門11的對面一側(cè)。
應(yīng)該指出，山脊線5的一部分可以被切除，借此形成一個用來防止活塞1的凸出部P與進(jìn)氣氣門11或排氣氣門14相干涉的氣門凹槽，以便滿足發(fā)動機的氣門正時和壓縮比的要求。
從以上可以明白，根據(jù)以上實施例，朝活塞1的周邊連續(xù)向下傾斜的傾斜表面3被制成在活塞頭1a處，在環(huán)繞凹坑4的山脊線5的外側(cè)未設(shè)有任何平坦表面。因此，借助于凹坑4能有效地完成分層充氣燃燒。此外，在凹坑4的內(nèi)側(cè)與外側(cè)之間能有效地確保氣流，借此在均一充氣燃燒期間促進(jìn)空氣燃油混合氣的均一化。這提供高的均一充氣燃燒性能。此外，由于在凸出部P處未形成平坦表面，所以活塞頭1a的表面面積減小，借此降低冷卻損失，致使可以得到高的均一充氣燃燒性能。
這里，上述傾斜表面3相對于水平平面HP形成一個從10°到60°范圍的表面傾斜角度θ1，如圖2B中所示，該水平平面HP包括在含有活塞1的中心線PC的豎直平面V2上的標(biāo)準(zhǔn)平坦表面2并垂直于豎直平面V1。豎直平面V1通過氣缸C的中心線Xc。角度θ1最好是在從15°至45°的范圍之內(nèi)，更可取地是在從10°至30°的范圍之內(nèi)。表面傾斜角度θ1的以上范圍取決于圖4的曲線圖或數(shù)據(jù)，這些曲線圖或數(shù)據(jù)是在對圖1至圖3中所示的發(fā)動機進(jìn)行的實驗中獲得的。在這些實驗中，在均一充氣燃燒期間發(fā)動機的制動轉(zhuǎn)矩和在分層充氣燃燒期間的燃油消耗量是在改變傾斜表面3的表面傾斜角度θ1時測得的。在圖4中，曲線C1表示在均一充氣燃燒期間發(fā)動機的制動轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)，而曲線C2表示在分層充氣燃燒期間發(fā)動機的燃油消耗量的數(shù)據(jù)。圖4的曲線圖表明以下事實，即在均一充氣燃燒期間的制動轉(zhuǎn)矩和在分層充氣期間的燃油消耗量，在由雙頭箭頭所指明的范圍內(nèi)是彼此相容(兼容)的，該范圍被選成表面傾斜角度θ1的以上范圍。應(yīng)該指出，最好是把表面傾斜角度θ1設(shè)定得盡可能小些，以便得到相同的燃燒性能，因為活塞1的活塞壓縮高度(或活塞的最上部與活塞銷軸線之間的軸向距離)隨表面傾斜角度θ1的加大而加大。此外，考慮到下文述及的凹坑4的深度之類，表面傾斜角度θ1被設(shè)定在以上范圍之內(nèi)。
凹坑4具有從3至9mm范圍內(nèi)的深度A。如圖2B中所示，深度A是凹坑4的底部平坦表面4a與包括標(biāo)準(zhǔn)平坦表面2的標(biāo)準(zhǔn)水平平面HP之間的軸向距離。深度A的以上范圍取決于圖5的曲線圖或數(shù)據(jù)，這些曲線圖或數(shù)據(jù)是在對圖1至圖3中所示的發(fā)動機進(jìn)行的實驗中獲得的。在這些實驗中，在均一充氣燃燒期間發(fā)動機的制動轉(zhuǎn)矩和在分層充氣燃燒期間的燃油消耗量是在改變凹坑4的深度A時測得的。在圖5中，曲線C3表示在均一充氣燃燒期間發(fā)動機的制動轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)，而曲線C4表示在分層充氣燃燒期間發(fā)動機的燃油消耗量的數(shù)據(jù)。圖5的曲線圖表明以下事實，即在均一充氣燃燒期間的制動轉(zhuǎn)矩和在分層充氣期間的燃油消耗量，在由雙頭箭頭所指明的范圍內(nèi)是彼此相容的，該范圍被選成深度A的以上范圍(3至9mm)。
換句話說，隨著凹坑4的深度A加大，用來把燃油保持在凹坑4內(nèi)的特性改善，以便促進(jìn)分層充氣(空氣燃油混合氣)的形成，從而改善分層充氣燃燒性能；然而，由于凹坑4內(nèi)側(cè)與外側(cè)空間之間的不連續(xù)性，均一充氣(空氣燃油混合氣)變成難以在整個燃燒室中形成。因此，深度A被選擇在這樣的范圍之內(nèi)，其中分層充氣的形成和均一充氣的形成是彼此相容(兼容)的。
借助于在以上范圍之內(nèi)的凹坑4的深度A，活塞頭1a的不均勻性被抑制成需要的最小值，借此在均一充氣燃燒期間取得以下效果(a)可以防止燃油在凹坑內(nèi)滯留。(b)可以防止減弱氣缸內(nèi)的氣流。(c)可以防止由凹坑內(nèi)側(cè)與外側(cè)之間的不連續(xù)性引起的燃燒降低。(d)由于活塞表面面積減小可以降低冷卻損失。當(dāng)然，在凹坑的影響下可以維持高的分層充氣燃燒性能。
總深度(B=A+H)或凹坑4的深度A與凸出部P的高度H之和被設(shè)定在從10至20mm的范圍內(nèi)。凸出部P的高度H是山脊線5的最上部與包括標(biāo)準(zhǔn)平坦表面2的標(biāo)準(zhǔn)水平平面HP之間的軸向距離?？偵疃菳的以上范圍取決于圖6的曲線圖或數(shù)據(jù)，這些曲線圖或數(shù)據(jù)是在對圖1至圖3中所示的發(fā)動機進(jìn)行的實驗中獲得的。在這些實驗中，在均一充氣燃燒期間發(fā)動機的制動轉(zhuǎn)矩和在分層充氣燃燒期間的燃油消耗量是在改變總深度B時測得的。在圖6中，曲線C5表示在均一充氣燃燒期間發(fā)動機的制動轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)，而曲線C6表示在分層充氣燃燒期間發(fā)動機的燃油消耗量的數(shù)據(jù)。圖5的曲線圖表明以下事實，即在均一充氣燃燒期間的制動轉(zhuǎn)矩和在分層充氣期間的燃油消耗量，在由雙頭箭頭所指明的范圍內(nèi)是彼此相容的，該范圍被選成總深度B的以上范圍(10至20mm)。
換句話說，隨著總深度B加大，用來把燃油保持在凹坑4內(nèi)的特性被改善，以便促進(jìn)分層充氣(空氣燃油混合氣)的形成，從而改善分層充氣燃燒性能；然而，由于凹坑4內(nèi)側(cè)與外側(cè)空間之間的不連續(xù)性，均一充氣(空氣燃油混合氣)變成難以在整個燃燒室中形成。因此，總深度B被選擇在范圍(10至20mm)之內(nèi)，其中分層充氣的形成和均一充氣的形成是彼此相容的。
借助于在以上范圍之內(nèi)的總深度B，活塞頭1a的不均勻性被抑制成需要的最小值，借此在均一充氣燃燒期間取得以上效果。此外，活塞壓縮高度被減至最小，借此實現(xiàn)減輕活塞的重量并改善由活塞敲缸引起的發(fā)動機噪聲性能。
高度H對深度A之比(H/A)被設(shè)定在從1.0至2.0的范圍內(nèi)。從圖5和圖6的曲線圖可以看出，在此一范圍之內(nèi)，在均一充氣燃燒期間的制動轉(zhuǎn)矩和在分層充氣燃燒期間的燃油消耗量是彼此相容的。
總深度B對活塞行程S之比(B/S)被設(shè)定在不大于0.25的范圍內(nèi)。如圖3中所示，活塞行程S是每個活塞的活塞移動的長度。比值(B/S)的以上范圍取決于圖7的曲線圖或數(shù)據(jù)，這些曲線圖或數(shù)據(jù)是在對圖1至圖3中所示的發(fā)動機進(jìn)行的實驗中獲得的。在這些實驗中，在均一充氣燃燒期間發(fā)動機的制動轉(zhuǎn)矩和在分層充氣燃燒期間的燃油消耗量是在改變比值(B/S)時測得的。在圖7中，曲線C7表示在均一充氣燃燒期間發(fā)動機的制動轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)，而曲線C8表示在分層充氣燃燒期間發(fā)動機的燃油消耗量的數(shù)據(jù)。圖7的曲線圖表明以下事實，即在均一充氣燃燒期間的制動轉(zhuǎn)矩和在分層充氣期間的燃油消耗量，在由箭頭所指明的范圍內(nèi)是彼此相容的，該范圍被選成比值(H/A)的以上范圍(B/S≤0.25)。
換句話說，如果在活塞行程S較小的場合總深度B較大，則發(fā)動機的燃燒性能降低。在這方面，最好是通過根據(jù)活塞行程S減小總深度B來保證良好的燃燒性能。
本實施例中凹坑4造型如下如圖2A和圖2B中所示，凹坑4的主要(大)部分P1位于包括氣缸體15中的諸氣缸的軸線Xc的豎直平面V1的第1側(cè)S1。凹坑4的小部分P2位于豎直平面V1的第2側(cè)S2，該第2側(cè)S2相對于豎直平面V1與第1側(cè)S1對峙。應(yīng)該指出，燃油噴射閥12的前端部被布置在第1側(cè)以便靠近凹坑4的主要部分P1，而同時火花塞13的前端部被布置在第2側(cè)S2以便靠近凹坑4的小部分P2。在圖2B中清楚地看到，小部分P2在深度上比主要部分P1大。一個界定凹坑4的大體上環(huán)形的側(cè)壁表面(未標(biāo)號)包括一個彎曲表面4b，該彎曲表面界定凹坑4的小部分P2并且經(jīng)由山脊線5鄰接和緩的坡度表面6并與之連接。如圖2B中所示，彎曲表面4b在垂直平面V2內(nèi)具有在從5至20mm范圍內(nèi)的曲率半徑R，該垂直平面包括軸線PC并垂直于垂直平面V1。
曲率半徑R的以上范圍取決于圖8的曲線圖或數(shù)據(jù)，這些曲線圖或數(shù)據(jù)是在對圖1至圖3中所示的發(fā)動機進(jìn)行的實驗中獲得的。在這些實驗中，在均一充氣燃燒期間發(fā)動機的制動轉(zhuǎn)矩和在分層充氣燃燒期間的燃油消耗量是在改變凹坑4的曲率半徑R時測得的。在圖8中，曲線C9表示在均一充氣燃燒期間發(fā)動機的制動轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)，而曲線C10表示在分層充氣燃燒期間發(fā)動機的燃油消耗量的數(shù)據(jù)。圖8的曲線圖表明以下事實，即在均一充氣燃燒期間的制動轉(zhuǎn)矩和在分層充氣燃燒期間的燃油消耗量，在由雙頭箭頭所指明的范圍內(nèi)是彼此相容的，該范圍被選成曲率半徑R的以上范圍(5至20mm)。
借助于此一曲率半徑R，在分層充氣燃燒期間分層的空氣燃油混合氣可以被順利地帶到火花塞13附近，而同時空氣燃油混合氣可以在凹坑4的內(nèi)側(cè)和外側(cè)順利地流動。如果曲率半徑R小于5mm，則不能獲得曲率半徑R的功能。如果曲率半徑R超過20mm，則不能有效地實現(xiàn)分層的空氣燃油混合氣向火花塞13的輸送。
接著，將參照圖9詳細(xì)討論本實施例的凹坑4的形狀，該圖是圖2B的放大細(xì)節(jié)因而是圖2A中垂直平面V2內(nèi)的剖視圖。彎曲表面4b由垂直平面V2內(nèi)的曲線段G1來表達(dá)。線段G1是一個具有半徑R的圓的一部分(1/4)。曲線段G1的上端(鄰近和緩的斜坡表面6)與和緩的斜坡表面6分開。一個直線段G2從曲線段G1的上端延伸并達(dá)到和緩的斜坡表面6以形成山脊線5。直線段G2相當(dāng)于與彎曲表面4b連接以界定凹坑4的一部分的上壁表面4c的橫截面。直線段G2具有在從0至10mm范圍內(nèi)的長度。否則，彎曲表面4b可以結(jié)合曲率半徑R如圖10中所示地配置，在該圖中直線段G2的長度L取負(fù)值。因此，直線段G2的長度L被設(shè)定在從-2至10mm的范圍內(nèi)。
長度L的此一范圍取決于圖11的曲線圖或數(shù)據(jù)，這些曲線圖或數(shù)據(jù)是在對圖1至圖3和圖9和圖10中所示的發(fā)動機進(jìn)行的實驗中獲得的。在這些實驗中，在均一充氣燃燒期間發(fā)動機的制動轉(zhuǎn)矩和在分層充氣燃燒期間的燃油消耗量是在改變與壁表面4c相對應(yīng)的直線段G2的長度L時測得的。在圖11中，曲線C11表示在均一充氣燃燒期間發(fā)動機的制動轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)，而曲線C12表示在分層充氣燃燒期間發(fā)動機的燃油消耗量的數(shù)據(jù)。圖11的曲線圖表明以下事實，即在均一充氣燃燒期間的制動轉(zhuǎn)矩和在分層充氣燃燒期間的燃油消耗量，在由雙頭箭頭所指明的范圍內(nèi)是彼此相容的，該范圍被選成與壁表面4c相對應(yīng)的直線段G2的長度L的以上范圍(-2至10mm)。
此外，如圖9中所示，直線段G2相對于豎直直線SL傾斜以便形成一個傾斜角度θ2。豎直直線SL在垂直平面V2內(nèi)與活塞1的中心線PC相平行。直線段G2沿朝著和緩的斜坡表面6的方向逐漸離開中心線PC。傾斜角度θ2在從0°至15°范圍內(nèi)。傾斜角度θ2的此一范圍取決于圖12的曲線圖或數(shù)據(jù)，這些曲線圖或數(shù)據(jù)是在對圖1至圖3和圖9中所示的發(fā)動機進(jìn)行的實驗中獲得的。在這些實驗中，在均一充氣燃燒期間發(fā)動機的制動轉(zhuǎn)矩和在分層充氣燃燒期間的燃油消耗量是在改變直線段G2的傾斜角度θ2時測得的。在圖12中，曲線C13表示在均一充氣燃燒期間發(fā)動機的制動轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)，而曲線C14表示在分層充氣燃燒期間發(fā)動機的燃油消耗量的數(shù)據(jù)。圖12的曲線圖表明以下事實，即在均一充氣燃燒期間的制動轉(zhuǎn)矩和在分層充氣燃燒期間的燃油消耗量，在由雙頭箭頭所指明的范圍內(nèi)是彼此相容的，該范圍被選成與直線段G2相對應(yīng)的傾斜角度θ2的以上范圍(0°至15°)。應(yīng)該指出，由于傾斜角度θ2不取負(fù)值，所以在生產(chǎn)活塞1期間可以促進(jìn)凹坑4的形成。
在圖10的構(gòu)形的情況下，其中直線段G2的長度L取負(fù)值，曲線段G1的上端處于和緩的斜坡表面6的上側(cè)，致使在圖2中所示的垂直平面V2內(nèi)，在垂直直線SL與曲線段G1在曲線段G1穿越和緩的斜坡表面6的點處的切線TL之間形成一個類似于θ2的傾斜角度θ2’。傾斜角度θ2’被設(shè)定在從0°至15°的范圍內(nèi)。此一范圍取決于與圖12的數(shù)據(jù)相同的實驗數(shù)據(jù)。因此，在均一充氣燃燒期間的制動轉(zhuǎn)矩和在分層充氣燃燒期間的燃油消耗量，在曲線段G1的切線TL的傾斜角度θ2’的以上范圍(0°至15°)內(nèi)是彼此相容的。應(yīng)該指出，由于傾斜角度θ2’在此一場合也不取負(fù)值，所以在生產(chǎn)活塞1期間可以促進(jìn)凹坑4的形成。
圖13圖示活塞1的一個修改例，該修改例類似于圖1至圖3中所示的活塞，只是沒有在活塞頭1a上沿活塞1的周邊形成環(huán)形標(biāo)準(zhǔn)平坦表面(2)。在此一例子中，凹坑4的深度A和凸出部P的高度H相對于包含周邊線的標(biāo)準(zhǔn)水平平面HP來測量，凸出部P的表面與圓柱形側(cè)壁表面1a在該周邊線處彼此相連接。水平平面HP’垂直于活塞1的中心線PC。應(yīng)該指出，在此一修改例中，可以得到與圖1至圖3的實施例中的那些效果同樣的效果。
圖14和圖15A至圖15C圖示另一個修改例，該修改例類似于圖1至圖3中所示的實施例，只是凸出部P被制成帶有氣門凹槽7、7。形成氣門凹槽7、7以防止進(jìn)氣氣門11、11與活塞1的凸出部P相干涉。每個氣門凹槽7是通過切除一部分山脊線5而形成的。應(yīng)該指出，在此一場合對發(fā)動機的每個氣缸設(shè)置兩個進(jìn)氣氣門11、11。
這樣形成的氣門凹槽7、7不僅作為氣門凹槽的一般效果能滿足氣門正時和/或壓縮比的要求，而且由于氣門凹槽7、7是通過切除一部分山脊線5而形成的，所以與常規(guī)場合相比能把氣門凹槽的尺寸減至最小，以便抑制活塞表面面積的加大，在常規(guī)場合，氣門凹槽是通過切除活塞頭中的平坦部分而形成的。于是，根據(jù)此一例子，由氣門凹槽引起的燃燒室體積的改變可以被抑制到很小值，而同時卻促進(jìn)發(fā)動機的壓縮比調(diào)整。
這里，參照圖16A至圖16C，假定氣缸C具有投影面積S，該投影面積是通過把氣缸C的氣缸內(nèi)孔圓投影到一個投影平面內(nèi)得到的，如圖16C中所示，該平面相當(dāng)于一個垂直于氣缸C中心線Xc的水平平面。此外，假定圖16C中畫陰影線的截面在通過氣缸體15中的氣缸C中心軸線Xc的垂直平面V1內(nèi)具有面積S2。該畫陰影線的截面被界定于氣缸頭10的表面與處于上死點的活塞1的活塞頭1a的表面之間，并且在一個假想圓柱面IC的徑向朝外一側(cè)處被界定。假想圓柱面IC從山脊線5延伸到氣缸頭10的表面，并有與活塞1的中心軸線PC相平行的軸線。這里，面積比[(S2/S)×100％]處在不小于30％的范圍之內(nèi)。
面積比的此一范圍取決于圖17的曲線圖或數(shù)據(jù)，這些曲線圖或數(shù)據(jù)是在對圖14、圖15A至15C和圖16A至16C中所示的發(fā)動機進(jìn)行的實驗中獲得的。在這些實驗中，在均一充氣燃燒期間發(fā)動機的制動轉(zhuǎn)矩是在改變發(fā)動機的該面積比時測得的。在圖17中，曲線表示在均一充氣燃燒期間發(fā)動機的制動轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)。圖17的曲線圖表明以下事實，即在均一充氣燃燒期間的制動轉(zhuǎn)矩隨著該面積比加大而加大，其中最好是該面積比不小于30％以便維持在均一充氣燃燒期間大的制動轉(zhuǎn)矩。此一面積比的上限是根據(jù)均一充氣燃燒性能與分層充氣燃燒性能之間的平衡來確定的，其中如果該面積比加大到50％以上則不能改善均一充氣燃燒，所以該面積比的上限約為50％。
雖然已經(jīng)結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的活塞的該修改例展示并描述了以上面積比[(S2/S)×100％]，但是應(yīng)該指出，該面積比的構(gòu)思可以用于帶有如圖1至圖3、圖9、圖10和圖13中所示的其他活塞的發(fā)動機。
雖然僅展示并描述了帶有朝燃油噴射閥12偏心形成的圓形凹坑4的活塞，但是應(yīng)該指出，用帶有大體上同軸的圓形凹坑(4)的活塞，其中凹坑4的中心軸線被布置成與發(fā)動機氣缸的中心軸線大體上對正，也能得到與用偏心圓形凹坑活塞取得的那些效果相同的效果。
權(quán)利要求
1．一種用于氣缸直接噴射火花點火內(nèi)燃發(fā)動機的活塞，該活塞包括一個包括凸出部的活塞頭，該凸出部從一個垂直于所述活塞的中心軸線的標(biāo)準(zhǔn)水平平面突出，所述凸出部帶有一個其周邊形成一條大體上圓形的山脊線的凹坑，以及一個在所述山脊線外側(cè)形成的并朝著所述活塞頭的周邊延伸的傾斜表面，所述傾斜表面沿從所述山脊線到所述活塞頭周邊的方向連續(xù)向下傾斜，所述傾斜表面相對于所述標(biāo)準(zhǔn)水平平面形成一個從10°到60°范圍的角度(θ1)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種活塞，其特征是，所述傾斜表面形成一個圓錐表面的一部分。
3．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種活塞，其特征是，所述凹坑具有一個在從3至9mm范圍內(nèi)的深度(A)，所述深度是所述凹坑的底部表面與所述活塞的所述標(biāo)準(zhǔn)水平平面之間的軸向距離。
4．根據(jù)權(quán)利要求3中所述的一種活塞，其特征是，所述深度(A)和所述凸出部的高度(H)的總值(B)處于從10至20mm的范圍之內(nèi)，所述凸出部的所述高度是所述標(biāo)準(zhǔn)水平平面與所述山脊線最上部之間的軸向距離。
5．根據(jù)權(quán)利要求4中所述的一種活塞，其特征是，所述高度(H)對所述深度(A)的比值(H/A)處于從1.0至2.0的范圍之內(nèi)。
6．根據(jù)權(quán)利要求4中所述的一種活塞，其特征是，總值(B)對活塞行程(S)的比值(B/S)處于不大于0.25的范圍之內(nèi)，所述總值是所述凹坑的深度(A)和所述凸出部的高度(H)的總計，所述深度是所述凹坑的底部表面與所述活塞的所述標(biāo)準(zhǔn)水平平面之間的軸向距離，所述凸出部的所述高度是所述標(biāo)準(zhǔn)水平平面與所述山脊線最上部之間的軸向距離。
7．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種活塞，其特征是，所述凹坑由一個大體上環(huán)形的側(cè)壁表面來界定，所述側(cè)壁表面在一個包括所述活塞的中心軸線和所述凹坑的中心軸線的垂直平面內(nèi)由第1和第2對峙的曲線段來表達(dá)，所述第1曲線段被布置成比所述第2曲線段更靠近火花塞，所述第1曲線段具有從5至20mm范圍內(nèi)的曲率半徑。
8．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種活塞，其特征是，所述凸出部帶有一個位于所述山脊線外側(cè)的和緩的斜坡表面，所述和緩的斜坡表面與所述傾斜表面連接并相對于所述標(biāo)準(zhǔn)水平平面形成第2角度，所述第2角度小于所述第1角度。
9．根據(jù)權(quán)利要求7中所述的一種活塞，其特征是，所述第1曲線段有一個鄰近并離開所述凸出部的一個表面的末端，其中所述凹坑由一個與所述側(cè)壁表面連接的上壁表面來界定，所述上壁表面被表達(dá)成在所述垂直平面內(nèi)的一個直線段，所述直線段在所述垂直平面內(nèi)處于所述曲線段的末端與所述凸出部的表面之間并把它們連接起來，所述直線段具有從0至10mm范圍的長度(L)。
10．根據(jù)權(quán)利要求9中所述的一種活塞，其特征是，所述直線段在所述垂直平面內(nèi)相對于所述活塞的中心軸線傾斜以便形成一個從0°至15°范圍內(nèi)的角度(θ2)，所述直線段沿朝著所述凸出部表面的方向離開所述活塞的中心軸線傾斜。
11．根據(jù)權(quán)利要求7中所述的一種活塞，其特征是，所述第1曲線段有一個在所述垂直平面內(nèi)達(dá)到所述凸出部的表面的末端，所述第1曲線段在所述凸出部表面處的切線在所述垂直平面內(nèi)相對于所述活塞的中心軸線傾斜以便形成一個從0°至15°范圍內(nèi)的角度(θ2’)，所述切線沿朝著所述凸出部表面的方向離開所述活塞的中心軸線傾斜。
12．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種活塞，其特征是，發(fā)動機燃燒室的一部分的橫截面面積對氣缸的氣缸內(nèi)孔的投影面積的百分比不小于30％，所述橫截面面積在包括發(fā)動機氣缸中心軸線的垂直平面內(nèi)，所述燃燒室的所述部分被界定于氣缸頭的表面與處于上死點的所述活塞的所述活塞頭之間，并由一個連接所述山脊線和所述氣缸頭表面的假想圓柱來界定，所述假想圓柱具有與所述活塞的中心軸線相平行的軸線，所述投影面積是通過把氣缸內(nèi)孔沿所述氣缸的中心軸線的方向投影而得到的。
13．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種活塞，其特征是，所述活塞頭有一個沿所述活塞頭周邊形成的并位于所述標(biāo)準(zhǔn)水平平面內(nèi)的大體上環(huán)形的標(biāo)準(zhǔn)平坦表面，其中所述凸出部被所述標(biāo)準(zhǔn)平坦表面所環(huán)繞。
14．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種活塞，其特征是，所述活塞頭經(jīng)由所述標(biāo)準(zhǔn)水平平面與所述活塞的圓柱形側(cè)壁相連接。
15．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種活塞，其特征是，所述角度(θ1)在從10°至30°的范圍之內(nèi)。
16．一種用于氣缸直接噴射火花點火內(nèi)燃發(fā)動機的活塞，該活塞包括一個包括凸出部的活塞頭，該凸出部從一個垂直于所述活塞的中心軸線的標(biāo)準(zhǔn)水平平面突出，所述凸出部帶有一個其周邊形成一條大體上圓形的山脊線的凹坑，以及一個在所述山脊線外側(cè)形成的并朝著所述活塞頭的周邊延伸的傾斜表面，所述傾斜表面沿從所述山脊線到所述活塞頭周邊的方向連續(xù)向下傾斜，所述傾斜表面相對于所述標(biāo)準(zhǔn)水平平面形成一個從10°到60°范圍的角度(θ1)，其中所述凹坑具有一個在從3至9mm范圍內(nèi)的深度(A)，所述深度是所述凹坑的底部表面與所述活塞的所述標(biāo)準(zhǔn)水平平面之間的軸向距離，其中所述凹坑由一個大體上環(huán)形的側(cè)壁表面來界定，所述側(cè)壁表面在一個包括所述活塞的中心軸線和所述凹坑的中心軸線的垂直平面內(nèi)由第1和第2對峙的曲線段來表達(dá)，所述第1曲線段被布置成比所述第2曲線段更靠近火花塞，所述第1曲線段具有從5至20mm范圍內(nèi)的曲率半徑。
17．一種氣缸直接噴射火花點火內(nèi)燃發(fā)動機，該內(nèi)燃發(fā)動機包括一個帶有一組氣缸的氣缸體；一個固定地安裝在所述氣缸體上的氣缸頭；可動地設(shè)置于所述氣缸頭的進(jìn)氣氣門和排氣氣門；一個用來把燃油直接噴入對應(yīng)于每個氣缸所形成的燃燒室的燃油噴射閥；一個其前端部伸進(jìn)該燃燒室的火花塞；一個可動地設(shè)置在氣缸內(nèi)以便在它與所述氣缸頭之間界定該燃燒室的活塞，所述活塞包括一個帶有凸出部的活塞頭，該凸出部從一個垂直于所述活塞的中心軸線的標(biāo)準(zhǔn)水平平面突出，所述凸出部帶有一個其周邊形成一條大體上圓形的山脊線的凹坑，所述凹坑有一條從所述活塞的中心軸線朝著所述進(jìn)氣氣門偏移的中心軸線，以及一個在所述山脊線外側(cè)形成的并朝著所述活塞頭的周邊延伸的傾斜表面，所述傾斜表面沿從所述山脊線到所述活塞頭周邊的方向連續(xù)向下傾斜，所述傾斜表面相對于所述標(biāo)準(zhǔn)水平平面形成一個從10°到60°范圍的角度。
全文摘要
一種用于安裝在汽車上的氣缸直接噴射火花點火內(nèi)燃發(fā)動機的活塞(1)?；钊?1)包括一個包括凸出部(P)的活塞頭(1a),該凸出部從一個垂直于所述活塞(1)的中心線(PC)的標(biāo)準(zhǔn)水平平面(2)突出。凸出部(P)帶有一個其周邊形成一條大體上圓形的山脊線的凹坑(4),以及一個在所述山脊線(5)外側(cè)形成的并朝著所述活塞頭(1a)的周邊延伸的傾斜表面(3)。傾斜表面(3)沿從所述山脊線(5)到所述活塞(1)周邊的方向連續(xù)向下傾斜。傾斜表面(3)相對于所述標(biāo)準(zhǔn)水平平面(HP)形成一個從10°到60°范圍的角度(θ1)。凹坑(4)具有一個在從3至9mm范圍內(nèi)的深度(A),該深度是凹坑(4)的底部表面(4a)與活塞(1)的標(biāo)準(zhǔn)水平平面(HP)之間的軸向距離。此外,凹坑(4)由一個大體上環(huán)形的側(cè)壁表面來界定,該側(cè)壁表面在一個包括該活塞的中心線和凹坑(4)的中心線的垂直平面內(nèi)由第1和第2對峙的曲線段(4b)來表達(dá)。第1曲線段(G1)被布置成比第2曲線段更靠近火花塞。第1曲線段(G1)具有從5至20mm范圍內(nèi)的曲率半徑。
文檔編號F02B75/02GK1225706SQ9880057
公開日1999年8月11日 申請日期1998年5月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月3日
發(fā)明者神宮宣久, 赤木三泰 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社