一种活塞和具有该活塞的内燃机以及构建此活塞的方法

摘要

一种活塞及具有根据本发明构建的活塞的内燃机，所述活塞具有一带冠顶的活塞主体，所述冠顶具有一从上部表面沿中心轴悬垂的圆柱形外部表面。至少一个径向延伸到外部表面的环形凹槽，形成从所述环形凹槽延伸到所述上部表面的顶层。沿所述顶层周边形成有多个波形。每个波形都具有径向延伸到顶层的外部表面的波谷，且从上部表面延伸到环形凹槽。穿过上部表面延伸到环形凹槽的波形彼此不重叠，设置于相对于燃料喷雾流、活塞的销孔轴或推力轴中的至少一个的预定方向上。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2007年6月15日提交的美国临时申请序列号No.60/944,244的权益，其通过引用整体合并入此处。

技术领域

本发明大致上涉及内燃机，更具体地，涉及活塞的构造和排布。

背景技术

已知内燃机，尤其是柴油机耗油量相对较高，并在此过程中产生不需要的废气排放。另外，随着油的消耗，碳堆积在活塞的表面，诸如活塞的顶层(top land)区域，包括在环形凹槽中。由此，积碳阻碍该环的运动，造成油的窜漏，使发动机的性能和发动机组件的使用寿命降低，使耗油量和废气排放量增加。因此，人们不懈努力于克服缸膛内及缸膛内的活塞上的积碳所带来的缺陷。

根据本发明制造的活塞及具有该活塞的发动机克服或极大地减少了上述积碳所带来的缺陷，从而允许柴油机以提高了的性能水平运行，同时使其耗油量和废气排放量降低，使用寿命延长。

发明内容

根据本发明制造的内燃机活塞减少了活塞顶层上的积碳，减少环形凹槽中及其对应的活塞环上的积碳，改进该活塞环的运动，减少油的窜漏和消耗，减少缸膛中由于积碳进行的抛光，降低废气排放量，并总体提高发动机的运行性能。

根据本发明的一个方面，一种内燃机活塞，其包括一具有冠顶的活塞主体，该冠顶具有沿中心轴从上部表面悬垂的大致呈圆柱形的外部表面。至少一个径向延伸到该外部表面的环形凹槽，形成从所述环形凹槽延伸到所述上部表面的顶层。沿所述顶层周边形成有多个波形。每个波形都具有径向延伸到顶层的外部表面的波谷，且从上部表面延伸到环形凹槽。穿过上部表面延伸到环形凹槽的波形相对于中心轴呈非平行关系，波形在与中心轴平行的方向上彼此不重叠。

根据本发明的另一个方面，一种发动机，其具有一包括缸膛的气缸体，和一燃料喷射器，所述燃料喷射器以一种预定的模式把燃料喷雾流喷射进缸膛。发动机进一步包括一个收容在缸膛中的活塞。所述活塞具有一上部表面和一从上部表面沿中心轴悬垂的外部表面，具有至少一个径向延伸到外部表面的环形凹槽，形成从所述环形凹槽延伸到所述上部表面的顶层。所述顶层具有多个波形。每个波形都具有径向延伸到顶层的外部表面的波谷和从波谷径向向外延伸的波峰。所述波谷和波峰从上部表面延伸到环形凹槽。活塞进一步具有一对沿着销孔轴彼此对齐的销孔，形成与销孔轴大致垂直的推力方向。波峰和波谷配置在相对于燃料喷雾流、销孔轴或推力方向中的至少一个的预定方向上。

根据本发明的另一个方面，提供一种构建活塞的方法，该活塞在内燃机的缸膛中作往复运动，所述内燃机具有将燃料喷雾流喷射进缸膛的燃料喷射器。所述方法包括提供一个具有一上部表面和一从上部表面沿中心轴悬垂的外部表面的活塞主体。然后，形成一个径向延伸到外部表面的环形凹槽，以形成从所述环形凹槽延伸到所述上部表面的顶层。进一步的，形成一对沿着销孔轴彼此对齐的横向间隔的销孔，确立与销孔轴大致垂直的推力轴。更进一步的，在顶层中形成多个波形，该波形具有径向延伸到顶层的外部表面的波谷和从波谷径向向外延伸的波峰。最后，在相对于燃料喷雾流、销孔轴或推力轴中的至少一个的预定方向上配置波峰和波谷。

附图说明

结合考虑以下对当前优选的实施例和最佳实施方式的详细描述、所附权利要求以及附图，本领域技术人员将更容易理解本发明的上述和其他方面、特征及优点，其中：

图1A-1C是示出了根据本发明当前优选实施例的三种不同活塞结构的部分删除的发动机气缸体的侧面透视图；

图2是具有在根据本发明一当前优选实施例的活塞顶层上形成的多个轴向延伸的凹槽的180°分割图1-3中的活塞的周边的不完全顶视图；

图3是曲线图和相应的表格，表明了沿图1A-1C中的活塞的顶层的部分周边的凹槽的轮廓和深度；

图4是具有在根据本发明另一当前优选实施例的活塞顶层上形成的多个轴向延伸的凹槽的180°分割活塞的周边的不完全顶视图；

图5是曲线图和相应的表格，表明了沿图6中的活塞的顶层的部分周边的凹槽的轮廓和深度；

图6根据本发明另一当前优选实施例构建的活塞的侧视图；

图7是表明了90°分割根据本发明其他当前优选实施例构建的顶层的周边的其他活塞的凹槽的相对深度的表格。

具体实施方式

更具体地参考附图，图1A-1C显示了根据本发明的一个当前优选的实施例所构造的活塞10。活塞10被设置于内燃机例如以14表示的柴油机的缸膛12中。活塞10具有一活塞主体16，不管是浇铸形成的还是锻造形成的，都具有沿中心轴20延伸的大致呈圆柱形的冠顶18。该冠顶18具有至少一个能浮动收容活塞环的环形凹槽22，其中设置一顶部活塞环24(为表述清楚只画出其中一部分)以在往复运动期间引导活塞10，同时阻止油从活塞主体16的下部往上流动。该冠顶18具有一顶层26，其从最上层环形凹槽22向上延伸至活塞主体16的压缩面或上部表面28。顶层26具有多个大体沿着中心轴20的方向轴向延伸的波形30。根据应用目的需要，例如为了改良发动机运行性能、耗油量和排放量及使用寿命等，波形30可以具有多种形状，尺寸和深度，这在此后将详细描述。

波形30优选为沿着顶层26的外部表面32均匀、对称分布，但是非均匀的排布也在本发明的范围之列。如图2所示，波形30形成了六个在波形30的波谷36之间均匀分布的波峰34，此处仅为示例而非限制，如果需要，波形30还能在外部表面32上形成正弦曲线或者其他形状。这样，波形30呈现出平滑的波形，从而沿顶层26周边提供一个无锐利边缘或阶梯状表面的连续的平滑的周向表面。通过示例，波形30的波峰34沿着顶层外部表面32的最大直径齐平延伸且与之对应，而波形30的波谷36从外部表面32向内径向延伸至一个预定的深度。该深度根据需要变化。例如，如图2所示，波谷的深度大约在0.5mm-2.0mm，即波峰34与波谷36的变化范围是从顶层26的外部表面32处的深度0.0mm到波谷36处的深度0.5mm-2.0mm。

如果波形30呈现如图3所示的正弦曲线，在波形轮廓上的任何周向位置处的波形30的深度可以通过公式计算：深度＝(最大深度/2)x[(1-Cos波峰数目x角度)]。为了应用这个公式，首先要建立关于顶层26的周边的0-360°参考。为了得到正弦波形30围绕顶层26的外部表面32任意位置处的深度，预定的最大深度(例如0.05mm)代入公式中；然后将所需波峰数目(例如6)与角度的乘积的余弦值代入公式中。这样就能确定所选的角度位置处正弦波形的深度。

如图4所示，活塞10可以具有与上述描述不同数目的波形，例如，可以具有5个波形30，该波形30构造的方式跟上述描述大致一致，波峰34与波谷36在顶层26的周边均匀分布，如图5所示。因此，应该认识到，波形30的数目可以根据应用的不同而变化，如图7中的表格进一步说明，活塞可以具有7个或8个波峰。

如图1A所示，波形30与中心轴20呈非线性和盘旋关系，其中每个波形的上端相对于波形30的下端径向移动或极移，该上端此后表述为顶部43，该下端此后表述为底部45。而如图1B所示，凹槽30与中心轴20呈线性和螺旋关系。另外，如图1C所示，凹槽30与中心轴20呈线性和平行关系，波峰34和波谷36相互平行地大致垂直延伸。波形30在顶部43和底部45之间的径向移动或极移各自跨越顶层26，约在例如5-30°之间移动，其中，活塞10具有用于与6道燃料喷雾流39配合的6个波形。因此，在此情况下，每个波形30的波峰34在其从顶部43延伸到底部45时，都要径向移动。因此，应该认为凹槽30具有不同的配置。例如，如果需要，凹槽30的深度在顶层26的轴向长度(L)(图1)上能沿着凹槽30的长度而具有可变的深度。例如，凹槽30在顶层26的上部表面28上具有最大深度，该深度随着凹槽30向着环形凹槽22延伸而逐渐变小。

如图6所示，示出了根据本发明构建的活塞10的另一个实施例。围绕外部表面32的波形30不是平滑而连续变化的，而是形成为从顶层26的外部表面32径向向内延伸的彼此径向间隔的通道或凹槽。该波形也称为凹槽30，形成方式大致跟上述描述相同，具有垂直的配置，或非线性而盘旋的形式，或线性而螺旋的形式。不形成凹槽30的顶层26的外部表面32的部分保持大致圆柱形的轮廓，具有距离中心轴20恒定的半径(r)，其中，凹槽30彼此径向间隔地径向向内延伸。由此，在凹槽30和外部表面32的过渡位置，形成了锐利转角或锐利边缘37。

被安装在缸膛12中的活塞10的波形30在缸膛12内预定径向位置处具有波峰34和波谷36。由此，如果需要，波峰34和波谷36在缸膛12中具有预定的方位，从而相对于燃料喷雾流39定位。例如，波峰34应该配置成：来自燃料喷射器喷嘴38的燃料喷雾流39的预定位置引导大体上在波谷36上方且进入波谷36，从而在两相邻波峰34之间的燃料喷雾。当然，燃料喷雾流39可以朝向其他位置，根据应用需要，燃料喷雾流39可以射到波峰34，或者射到波峰34和波谷36两者。如图2所示，此处仅为示例而非限制，波峰34和波谷36的数目为偶数，波峰34或波谷36可以设置为关于对应于销孔轴40的活塞销轴对齐，在该实施例中直径上对置的波谷36沿着活塞销轴和销孔轴40中心对齐，从而被轴40一分为二。而本实施例中的波峰34沿着基本上与活塞销轴40垂直的推力轴42对齐。另外，如图4所示，波峰34和波谷36的数目为奇数，一个波峰34沿着推力轴42对齐设置，而与其直径上对置的波谷36沿着与推力轴42共线的反推力方向对齐设置，使得该对置的波谷36被推力轴42一分为二。同时，沿着活塞销轴40，直径上对置的波峰34和波谷36关于轴40偏移。

应当理解，除了附图说明或者上述讨论之外，在最终授权的专利权利要求范围内的可实现相同功能的根据本发明的其他实施例也整合入此处。