用于增大壓縮比的活塞頂的制作方法
【專利摘要】公開了一種用于增大壓縮比的活塞頂。一種活塞包括活塞頂，所述活塞頂具有頂面、火花凹坑、排氣門凹坑和進氣門凹坑。所述活塞還包括楔部，所述楔部設置在活塞頂上，在頂面之上從排氣門凹坑和進氣門凹坑朝向火花凹坑延伸。楔部是以與由排氣門凹坑容納的相關聯的排氣門大體平行的角度設置的平坦的楔部。活塞頂相對于活塞中心線對稱。
【專利說明】
用于増大壓縮比的活塞頂
技術領域
[0001]本公開涉及用于車輛的內燃發動機。
【背景技術】
[0002]車輛包括內燃發動機。內燃發動機為車輛提供作為原動力的扭矩。發動機內的燃燒提供扭矩。燃燒可以以多種方式完成。例如，發動機可利用均質充量壓燃點火系統(HCCI)，其中，空氣燃料混合物在一定溫度下壓縮而點火。類似地，發動機可利用火花點火系統(SI)，其中，空氣燃料混合物與來自火花塞的電荷相互作用以進行燃燒。
[0003]內燃發動機內的壓縮比決定在車輛的燃料效率下產生的扭矩量。可使用諸如可變閥門正時和節氣門控制的機制來控制壓縮比。此外，發動機內的活塞會影響壓縮比。可使用活塞的幾何結構、形狀和沖程來優化壓縮比以及車輛的燃料效率。因此，具有改善發動機內的壓縮的幾何結構的活塞會是有益的。
【發明內容】
[0004]—種活塞包括活塞頂，所述活塞頂具有頂面、火花凹坑、排氣門凹坑和進氣門凹坑。所述活塞還包括楔部，所述楔部設置在活塞頂上，在頂面之上從排氣門凹坑和進氣門凹坑朝向火花凹坑延伸。楔部是以與由排氣門凹坑容納的相關聯的排氣門大體平行的角度設置的平坦的楔部。活塞頂相對于活塞中心線對稱。
[0005]—種發動機包括限定氣缸的發動機缸體和氣缸蓋。發動機還包括活塞，所述活塞設置在氣缸內，具有對稱的凸頂式活塞頂，凸頂式活塞頂包括從進氣門凹坑和排氣門凹坑延伸的楔部。楔部在頂面之上與由排氣門凹坑容納的排氣門平行地朝向凸頂式活塞頂的中心傾斜。活塞還包括弧形的斜坡，所述斜坡與頂面和楔部相切地設置在進氣門凹坑和排氣門凹坑之間。
[0006]氣缸可限定為V型配置。
[0007]—種凸頂式活塞，具有相對于中心線對稱的活塞頂，活塞頂的每半個都包括頂面、進氣門釋放部和排氣門釋放部、位于頂端處的火花塞容納部和設置在進氣門釋放部與排氣門釋放部之間的弧形的斜坡。進氣門釋放部和排氣門釋放部均低于頂面延伸到平坦的楔部，所述楔部在頂面之上從氣門釋放部延伸到頂端。弧形的斜坡在頂面和楔部之間相切地延伸。
[0008]對稱的活塞頂可以是鑄造件。
[0009]平坦的楔部大體與由排氣門釋放部容納的排氣門平行。
【附圖說明】
[0010]圖1是具有直噴式發動機的車輛的透視圖，該直噴式發動機設有具有鑄造式活塞頂的活塞；
[0011]圖2是利用活塞頂幾何結構來改善燃料流動的活塞缸內部的活塞的剖視圖；
[0012]圖3是本公開的活塞頂的透視圖；
[0013]圖4是本公開的沿圖3的線4-4截取的活塞頂的剖視圖。
【具體實施方式】
[0014]根據需要，在此公開本發明的具體實施例；然而，應該理解的是，所公開的實施例僅僅是本發明的示例，其可采取各種和替代的形式實施。附圖不一定按比例繪制;可放大或最小化一些特征以示出特定組件的細節。因此，在此所公開的具體結構和功能細節不應被解釋為限制，而僅作為教導本領域技術人員以各種形式采用本發明的代表性基礎。
[0015]參照圖1，示出的車輛1具有內燃發動機12。內燃發動機12機械地連接到車輛動力傳動系14。內燃發動機產生經動力傳動系14傳遞到車輪15的扭矩。經動力傳動系14傳遞到車輪15的扭矩提供驅動車輛10的原動力。在至少一個實施例中，發動機12被描述為直噴式內燃機12，其中，空氣和燃料的混合物直接噴射到發動機12中以提供燃燒。利用直噴式內燃機12需要被構造成將燃料直接噴射到氣缸18中的至少一個燃料噴射器位置(fuelinjector posit1n)13。
[0016]如下面將更詳細地描述的，發動機12可包括在氣缸18內部往復運動的活塞16。氣缸限定在發動機缸體17上。在至少一個實施例中，發動機12可包括一個活塞16或多個活塞16，例如包括六個活塞16或八個活塞16的發動機構造。活塞16還可以是凸頂式活塞。氣缸18可包括多個構造。例如，發動機12的多個活塞16在多個氣缸18內往復運動。所述多個氣缸18可具有多個構造。氣缸18可以是直列式配置或V型配置。不論是使用直列式配置還是V型配置，對稱的活塞幾何結構都允許在每個氣缸18內使用單個活塞設計。
[0017]空氣燃料混合物可通過發動機12的燃料噴射器位置13直接噴射到氣缸18中。此外，發動機12包括火花塞20。火花塞20提供作為點火源的火花，以點燃氣缸18內的空氣和燃料混合物。空氣和燃料混合物的燃燒迫使活塞16在氣缸18內向下往復運動。隨著活塞16在氣缸18內往復運動，在火花塞20的方向上運動，火花塞20可進一步點燃空氣和燃料混合物，以提供進一步的燃燒。發動機12使用這種燃燒能量來提供經車輛動力傳動系14傳遞到車輪15的扭矩。
[0018]如下面將更詳細描述的，發動機12內的燃燒速率取決于多種因素。例如，氣缸18內的活塞16的沖程會影響燃燒。類似地，活塞16的尺寸和形狀會增大空氣燃燒混合物接觸火花塞20的火花的速率。優化活塞16的尺寸和形狀來增加發動機12內的燃燒可增大發動機12的壓縮比。增大發動機12的壓縮比有助于提高燃料效率并降低排放。
[0019]參照圖2，示出了氣缸18內的活塞16的剖視圖。活塞16和氣缸18可限定圓柱形狀。空氣和燃料混合物限定的可燃氣體通過多個活塞環21被密封在氣缸18內。空氣燃料混合物通過進氣門22噴射到氣缸18中。類似地，空氣和燃料混合物燃燒產生的氣體通過排氣門24排出氣缸18。進氣門22和排氣門24之間的氣門角不同。火花塞20點燃空氣和燃料混合物對活塞16產生向下的力。作用在活塞16上的向下的力使連桿26旋轉。連桿26將活塞16機械地連接到曲軸28。連桿26的旋轉運動傳遞到曲軸28。這提供通過車輛動力傳動系14傳遞到車輪15的扭矩。
[0020]如上所述，通過火花塞20的火花與空氣和燃料混合物的相互作用的點火正時是優化壓縮比的重要因素。此外，活塞16的活塞頂30的幾何設計還會影響火花塞20的火花與空氣和燃料混合物之間的相互作用的正時。例如，活塞頂30可在頂面(deck)34的頂端(apex)31處限定火花釋放凹坑32。活塞頂30還可包括朝向火花釋放凹坑32傾斜地楔部36。楔部36包括平坦表面，其形成平坦的楔部36。楔部36還可被限定為楔形地向上凸出。當空氣和燃料混合物噴射到氣缸18時，楔部36有助于朝向火花釋放凹坑32推進燃料。楔部36有助于正確且有效地朝向火花釋放凹坑32引導空氣和燃料混合物以改善火花塞20處的燃燒。因此，可限定楔部36的斜率，從而優化發動機12的壓縮比。
[0021]氣缸18內的活塞16限定壓縮比。壓縮比決定作用在活塞上的力的大小，以及曲軸28的旋轉速率。高的壓縮比會是有利的。增大壓縮比允許通過空氣和燃料混合物的燃燒產生更多的熱能，該熱能將被轉換成機械能而向車輪15提供扭矩。壓縮比可通過在活塞下止點處和活塞上止點處的燃燒室27的體積來限定。燃燒室27的體積隨著氣缸18內的活塞16的沖程長度而改變。此外，燃燒室體積的改變基于活塞頂30的幾何結構。活塞16和連桿26間的連接的中點與活塞頂30之間限定壓縮高度25。壓縮高度25通過減小燃燒室27的體積而影響壓縮比。因此，通過調整活塞頂30的幾何結構以增大壓縮高度25對應的體積，同時設置進氣門22和排氣門24以及火花塞20的間隙，可增大壓縮比。
[0022]參照圖3和圖4，示出了活塞頂30的透視圖以及沿活塞頂30的線4-4截取的剖視圖。活塞頂30還可包括被限定在頂面34上的斜坡38。斜坡38是限定在進氣門凹坑40和排氣門凹坑42之間的弧形斜坡38。斜坡38還與壓縮高度25相切。為了實現使活塞頂30最大的楔角，斜坡38填充壓縮高度25之上(above)的體積，以實現期望的壓縮比。因此，斜坡38增大壓縮高度25對應的體積。利用斜坡38來增大壓縮高度25對應的體積允許活塞頂30提高通過楔部36的燃料流率。提高燃料流率允許被噴射到氣缸18中的空氣燃料混合物更快地到達火花塞釋放凹坑32 ο這在車輛1的總燃料效率下改善了發動機12的燃燒。
[0023]此外，如上所述，進氣門角和排氣門角在進氣門22和排氣門24之間是不同的。排氣門凹坑42容納排氣門24，且進氣門凹坑40容納進氣門22。將斜坡38增設到頂面34上允許活塞頂30是對稱的。斜坡38允許楔部36大體上與排氣門24平行。楔部36在排氣門凹坑42與進氣門凹坑40之間延伸。因為楔部36大體上與排氣門24平行，所以排氣門凹坑42在嚴格的公差范圍內容納排氣門24 ο因為排氣門24與進氣門22的角度不同且楔部36從排氣門凹坑42延伸到進氣門凹坑40，所以斜坡38為進氣門提供額外的間隙，并允許楔部36使活塞頂30最大。為進氣門22提供額外的間隙有助于通過為活塞頂30設置更大的空間來容納進氣門22而增大壓縮比，并允許活塞頂30關于活塞中心線44對稱。
[0024]使活塞頂30最大可優化氣缸18內的燃料流率。當活塞頂30最大時，楔部36具有朝向火花釋放凹坑32的最大坡度，以實現壓縮比的增大。斜坡38的增設為活塞頂30提供了優勢。斜坡38消除了頂面34和楔部36之間的尖的邊緣或陡降。斜坡38提供使活塞頂30的幾何結構緊湊的半徑。使活塞頂30的幾何結構緊湊允許斜坡38增大壓縮高度25對應的體積。增大壓縮高度25對應的體積減小了燃燒室的體積但是仍然允許進氣門22、排氣門24和火花塞20的間隙。這有助于增大壓縮比。通過改善和保持間隙，斜坡38允許楔部36以最大角度傾斜，以提高至火花塞的燃料流率并進一步增大壓縮比。斜坡38允許楔部36在活塞中心線44處最高(peak)。這允許活塞頂30是對稱的凸頂式活塞頂30。保持對稱并使活塞頂30最大可提1?活塞16的性能進而提_發動機12的性能D
[0025]如上所述，增設斜坡38為活塞頂30提供了多個優點。通過使用斜坡38來使活塞頂幾何結構緊湊所實現的又一優點是減少機加工工藝。增設斜坡38基本上允許整個活塞頂30作為鑄造件。活塞頂30的幾何結構允許使用鑄件冒口(未示出)來成形活塞頂30。活塞頂30的在鑄造之后需要機加工的唯一部分是火花釋放凹坑32。這大體上減少了成形活塞頂30所需要的機加工的數量。斜坡38的增設有助于減少成形活塞頂30所需要的制造工藝。這可節省時間、成本和制造費用。
[0026]通過增設斜坡38來使活塞頂30的幾何結構緊湊形成了更經濟的活塞16。例如，使用鑄造工藝的優點是更容易且更經濟地成形復雜的活塞頂幾何結構。此外，使用鑄造成形活塞頂30提供尺寸更穩定且更耐用的活塞頂幾何結構。類似地，可提供重復使用的鑄造件來成形生產中所需要的多個活塞頂30。快速有效地復制活塞頂幾何結構改善了活塞16的制造并類似地改善了發動機12的制造。因此，斜坡38的增設提高的活塞16的制造效率并允許更耐用的活塞頂30。
[0027]雖然如上描述了示例性實施例，但并不意味著這些實施例描述了本發明的所有可能的形式。相反，在說明書中使用的詞語是描述性詞語而不是限制性詞語，并且應該理解，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，可以作出各種改變。此外，可以將各個實施例的特征進行組合以形成可能本發明的進一步實施例。
【主權項】
1.一種活塞，包括: 活塞頂，具有頂面、火花凹坑、排氣門凹坑和進氣門凹坑； 楔部，設置在活塞頂上，在頂面之上以與由排氣門凹坑容納的相關聯的排氣門大體平行的角度從排氣門凹坑和進氣門凹坑朝向火花凹坑延伸，活塞頂相對于活塞中心線對稱。2.根據權利要求1所述的活塞，還包括弧形的斜坡，所述斜坡設置在排氣門凹坑和進氣門凹坑之間，并從頂面延伸到楔部。3.根據權利要求2所述的活塞，其中，斜坡還與頂面和楔部大體相切地設置。4.根據權利要求2所述的活塞，其中，斜坡從頂面延伸到火花凹坑。5.根據權利要求2所述的活塞，其中，楔部包括平坦表面。6.—種發動機，包括: 限定氣缸的發動機缸體和氣缸蓋； 活塞，設置在氣缸內，具有對稱的凸頂式活塞頂，凸頂式活塞頂包括楔部和弧形的斜坡，所述楔部從進氣門凹坑和排氣門凹坑延伸并且在頂面之上與由排氣門凹坑容納的排氣門平行地朝向凸頂式活塞頂的中心傾斜，所述斜坡與頂面和楔部相切地設置在進氣門凹坑和排氣門凹坑之間。7.根據權利要求6所述的發動機，其中，對稱的凸頂式活塞頂是鑄造件。8.根據權利要求6所述的發動機，還包括設置在楔部的頂端處的火花凹坑。9.根據權利要求8所述的發動機，其中，火花凹坑從在楔部之上延伸的鑄造冒口加工而成。10.根據權利要求6所述的發動機，還包括被構造成將燃料直接噴射到氣缸中的燃料噴射器位置。
【文檔編號】F02F3/12GK105888875SQ201610090252
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年2月17日
【發明人】喬納森·帕特里克·杰弗里斯, 布萊恩·丹尼斯·阿姆斯特朗, 托馬斯·杰里米·科斯切夫斯基
【申請人】福特全球技術公司