[发明专利]用于内燃机的活塞以及使用该活塞的内燃机

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于汽车等的内燃机的活塞，并且还涉及一种应用该活塞的内燃机。本发明尤其涉及对形成在活塞的顶面中的凹部的形状的改进，以使进气的翻转流保持在气缸内。 

背景技术

在混合气在燃烧室中燃烧以产生动力的常规内燃机(以下有时简称为“发动机”)中，气缸中所产生的翻转流(纵向涡流)被有效地利用以提高燃料的燃烧效率，从而改善输出和废气排放、燃料消耗率等。也就是说，翻转流在气缸内搅拌以促进燃料的蒸发和雾化，实现了燃烧室中的燃料的良好的燃料特性。 

迄今为止，已经提出了积极地产生这种翻转流的多种结构。例如，公开号为9-105330和11-218026的日本专利申请(JP-A-9-105330和JP-A-11-218026)公开了将进气口形成为翻转口。也就是说，通过在通向气缸的部分处将进气口的轴线设定得较靠近垂直方向，而将流入气缸中的进气的流线设定得较靠近垂直方向，这允许获得大的翻转流。 

公开号为7-119472的日本专利申请(JP-A-7-119472)以及WO00/77361公开了在进气通道中设置翻转控制阀，所述翻转控制阀按照需要打开和关闭以在气缸中产生大的翻转流。具体地，进气通道被隔壁(隔板)分隔为两个：上流路和下流路，并且设置了用于打开和关闭下流路的翻转控制阀。当需要在气缸中产生大的翻转流时(例如当发动机冷时)，翻转控制阀被关闭而仅从上流路发送进气，因此流入气缸中的进气的流线被设定为较靠近垂直方向的方向，这允许获得大的翻转流。 

具有用于积极地产生诸如上述翻转流的器件的发动机采用了形成有用于使翻转流保持在活塞的顶面(活塞顶头)中的凹部的活塞。例如，JP-A-9-105330公开了在面向排气阀的区域中形成大长度(在沿翻转流轴线(涡流的中心线)的方向上的尺寸)的凹部，以及在面向进气阀的区域中形 成具有小长度的凹部。JP-A-11-218026公开了在活塞顶面中形成圆形碗状的凹部。JP-A-7-119472公开了形成一如下的凹部：从俯视图观察时，其在沿翻转流轴线的方向上的外周形状大致为弧形，且在垂直于翻转流轴线的方向上的外周形状为直线。WO 00/77361公开了在活塞顶面中形成一如下的凹部：从俯视图观察时，其为大致矩形或大致梯形。通过在活塞顶面中形成这样的凹部，翻转流被活塞顶面引导以保持翻转流。 

本发明的发明人发现常规的凹部形状不能实现最佳的翻转流，因此对将在活塞顶面中形成的凹部的形状进行了研究。他们还考虑了更适于产生有效的翻转流的活塞顶面的形状。详细的描述如下。 

在凹部形成在活塞顶面中以保持翻转流的情况下，翻转流沿凹部的形状(弯曲的凹部的表面的形状)流动。因此，翻转流的外径大致是根据凹部的宽度(在垂直于翻转流轴线(涡流的中心线)的方向上的尺寸：在进气阀和排气阀面向彼此的方向上的尺寸)来确定的。 

在翻转流的轴向上的中心区中产生的一部分翻转流(在活塞顶面的中心处产生的一部分翻转流，以下称为“中心翻转流”)在凹部宽度大的区域中流动，因此几乎不受缸膛内壁的影响而沿着凹部的形状流动。因此，通过将凹部宽度设定得较大而在翻转流的轴向上的中心区中产生具有相对大外径的翻转流。例如，在JP-A-11-218026和JP-A-7-119472中，通过将凹部的外周形状形成为在从俯视图观察到的曲线而在翻转流的轴向上的中心区中产生大的翻转流。 

另一方面，在翻转流的轴向上的两个外侧区域中(在轴线的两侧)产生的一部分翻转流(在活塞顶面的两端处产生的翻转流，以下称为“侧翻转流”)受到在翻转流的轴向上相邻的缸膛内壁的显著影响。受到缸膛内壁影响的侧翻转流包括在垂直于翻转流轴线的方向上的气流(与中心翻转流的流线大致平行的气流)以及由于缸膛内壁的影响而朝向活塞顶面的中心侧的气流。 

图12为具有典型形状的凹部“a”的活塞顶面的俯视图，其中，在凹部的表面附近流动的中心翻转流和侧翻转流的方向由箭头来指示。在附图中，“SE”表示中心翻转流。“SA1”和“SA2”表示侧翻转流，“SA1”指示在垂直于翻转流轴线的方向上的气流，而“SA2”指示由于缸膛内壁的影响而朝向活塞顶面的中心侧的气流。同样在图12中，“b”指示进气阀的位置，而“c”指示排气阀的位置。

根据缸膛直径、活塞运动速度等来均匀地确定给予从进气口流入气缸中的气体(或混合气)的能量。也就是说，整个翻转流的流体能量是均匀的。因此，通过利用全部的给予能量来产生有效的翻转流从而在没有能量损耗的情况下产生在垂直于翻转流轴线的方向上的气流。