CN101815856A - 裙部开油槽的活塞 - Google Patents

Abstract

一个活塞，具有一对径向相对设置的裙部，每个裙部具有一个在裙部外壁和内腔之间形成流动连接的开口。所述开口使所述裙部的所述凸状外壁，形成在穿过所述销孔轴的水平面的上方周向延伸的上带区，和在该水平面下方周向延伸的下带区。

Description

裙部开油槽的活塞

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年8月13日提交的申请序列号No.60/955,423的美国临时申请的优先权，其通过引用整体合并入此处。

技术领域

本发明大致涉及内燃机，更具体地涉及重型柴油机活塞。

背景技术

已知内燃机，特别是柴油机需要高耗油量，这就导致了不良的废气排放。此外，油料的消耗将带来活塞表面的积碳堆积，特别是在活塞的顶部区域，包括环形活塞环凹槽。因此，积碳将限制活塞环的运动，从而衰减活塞环密封燃烧气体和控制耗油量的效力，从而引起更多的油料侧漏，降低发动机性能，减小发动机组件的寿命，及增加废气排放。

除了上述提到的问题以外，另外还有一个已知的问题是由在气缸内部活塞往复运动的路线中，油料的非均一的湍流而引起。这些额外的问题包括衬垫的气蚀现象的产生以及在活塞与气缸衬垫之间的增大的摩擦力。所述的气蚀现象对于活塞的配置是敏感的，特别是对于整体结构的活塞，该活塞具有与活塞整体成型的固定裙部。所述的增大的摩擦力对于活塞的二次运动是敏感的，由于缺乏引导，活塞在气缸衬垫内的往复运动会发生倾斜。油料控制损耗可追溯到由活塞运行的高速度而产生的油料驻波。如果这种情况发生在裙部的上部时，将导致“溢油”现象的出现。由此导致大多数的油料朝向活塞的上部冠顶，且油料滴流入活塞环带区域。有时候，例如当穿过活塞环带的气压梯度没有被清楚限定时，第一环形凹槽溢油，于是它对耗油的控制特性也就消失了。油料的二次驻波在第一环形凹槽的上缘形成。在驻波中这些油料暴露于火焰锋而被分解和碳化，产生烟灰和形成积碳。因此，虽然活塞环区域维持一定的持续的油量供应是必须的，但是油量过多对于发动机的寿命是不利的，还将降低发动机的性能。

根据本发明加工的活塞及其发动机克服或至少极大地降低了由上述讨论的那些问题带来的缺陷，从而允许柴油机在更高的性能水平上运转，同时降低燃料消耗，耗油量和废气排放，此外还能延长它们的使用寿命。

发明内容

根据本发明的一方面构造的内燃机活塞具有一上冠部，带有从其悬垂的一对销毂，该销毂与径向间隔开的一对裙部连接为一体。各裙部具有一贯穿延伸的开口，以使裙部外壁和部分以裙部为边界的内腔之间形成流体连通。开口具有大致横跨活塞往复运动的方向延伸的上缘和下缘，以及在上缘和下缘之间延伸的边。该上下缘具有特有的轮廓形状以在整个活塞运动周期内，促进油料在活塞外壁上的层流和均布性。该轮廓的形状可引导至少部分油料流入活塞的腔内，同时维持活塞外部的期望的动力学油膜。

根据本发明的一个方面，各个开口具有的长度和宽度使该开口的面积占各自裙部面积约20-80％。

根据本发明的另一个方面，上缘和下缘的轮廓外形相同。

根据本发明的另一个方面，上缘和下缘的轮廓外形不同。

根据本发明的另一个方面，上缘和下缘具有从裙部的外壁延伸到油槽的内壁的线性的倒圆面。

根据本发明的另一个方面，上缘和下缘具有从裙部的外壁延伸到油槽的内壁的非线性的倒圆面。该非线性的倒圆面可以具有任何合适的轮廓，包括抛物线形或其他合适的多项式形。

根据本发明加工成型的活塞，改善了油料在整个活塞周期中的流动，减小了在整个活塞循环中的动力学粘性摩擦，增强了贯穿整个循环的对活塞的引导，降低了气缸衬垫的气蚀现象，减少了活塞的粘性摩擦损失，减少了在环形凹槽内或环形凹槽上的积碳，改善了活塞环的运动，降低了耗油量和由此形成的粘附在顶层的积碳，从而减少由积碳引起的不良抛光，降低废气排放，整体提高发动机的运行性能和使用寿命。这些有利影响的总和降低了燃料的消耗，提高了每加仑的英里数。

附图说明

结合以下对当前优选实施方式和最佳形式的描述、所附权利要求和附图，本发明的上述和其它特征和优点将会被更容易理解，其中：

图1是根据本发明的优选实施例的活塞结构的局部透视图；

图2是大致沿图1中的线2-2的剖视图；

图3是大致沿线3-3，根据本发明的一个优选实施例的在活塞的裙部上的油槽的横截面的分解图；

图4是与图3相似，根据本发明的另一优选实施例的在活塞的裙部上的油槽的分解图；

图5是与图3相似，根据本发明的又一优选实施例的在活塞的裙部上的油槽的分解图；

图6是根据本发明的一个优选实施例的裙部的油槽构造的侧视图的分解图；

图7是与图6相似，根据本发明的另一优选实施例的油槽构造图；及

图8是与图6相似，根据本发明的又一优选实施例的油槽构造图。

具体实施方式

更具体地参考附图，图1和图2示出了根据本发明的一个优选实施例构造的活塞10，该活塞在内燃机，诸如柴油机的缸膛(图未示)内往复运动。活塞10具有锻造或铸造或任何其他工艺制造成的主体12，该主体12沿着活塞10在缸膛内往复运动的中心轴14延伸。作为示例而非限制，主体12具有一连接于下冠部18的一上冠部16，该下冠部具有从上冠部悬垂的一对销毂20，以提供沿销孔轴24对齐的横向间隔开的销孔22，该销孔轴24大致横穿所述中心轴14。作为示例而非限制，销毂20通过支撑部28连接于横向间隔开的裙部26，由此形成称为“整体”活塞，其中裙部26与销毂20整体成型。裙部26跨过销孔轴24彼此径向间隔开，该裙部具有凸状的外壁30，该外壁与缸膛一起使活塞在缸膛中往复运动时保持所期望的方向。在往复运动中，在所述裙部26的外壁30和缸膛壁之间形成并保持一流体力学的油膜，以减少它们之间的动力学摩擦。为了维持所期望的贯穿裙部26的外壁30的流动油膜的厚度和分布，在裙部26形成贯通槽或开口32。该开口32可以具有各种形状和大小，例如在加工、冲压、锻造或铸造操作或其他任何预期的应用中，以在裙部26的外壁30与腔34之间提供期望的油料的流体连通，该腔形成于所述裙部26之间。

活塞10的上冠部16示例为具有一顶面36，带有凹入其中的一燃烧室38以提供缸膛内所需的气体流量。一外壁或活塞环带40从顶面36向下延伸，在活塞环带40内具有至少一个用于浮动容纳活塞环44的环形凹槽42。处于适当的自由浮动运行状态的活塞环44有利于引导活塞10在缸膛内的往复运动，同时密封燃烧气体，从而抑制由活塞主体12下部向上的油道。

下冠部18在此示例为与上冠部16单独成型，诸如锻造，然后再连接起来，例如，其中的上冠部16和下冠部18可以通过焊缝46连接。应该理解根据本发明构造的活塞10的上冠部和下冠部还可以以其他形式，例如铸造形成，并且，它们可以通过如机械连接的方法进行连接，而非焊接。

如图1和图3所示，裙部26的开口32具有各自大致平行于水平面延伸的上缘48和下缘50，该水平面贯穿销孔轴24并垂直所述中心轴14，在上缘48和下缘50之间，具有大致垂直水平面延伸的边52和54。上缘48和下缘50大致对应于开口32的长度，而边52和54大致对应于开口32的宽度，尽管其最大宽度可以从边52和54向外延伸或弯曲。开口32的长度与宽度之间的关系是长度大于宽度。然而，长与宽的比值相对是比较低的。因此，开口32是很宽的。每个开口32提供分别占各裙部26总面积约20％-80％的开放的空间56，其中，单个裙部的总面积大致以裙部外壁30的外周长58(图1)为界。据此，根据开口32占裙部26总面积的的相对大小，可进入缸膛与之摩擦接触的裙部外壁30的面积减小到裙部26的总面积的20％-80％。因此，除了明显降低了活塞的重量外，在裙部26和缸膛壁之间产生的潜在的动力学摩擦损耗降低。我们发现，一个使裙部外壁面积降低约40％的开口将导致最大摩擦力可降低约80％。

开口32完全穿过裙部26延伸，形成上带区60和下带区62。上带区60和下带区62呈现为一个大致对称的形状，但根据预期的应用，非对称的形状也是可以考虑的。这包括开口设置成不连续的“轴瓦”式，如离散地单独承载表面。当前的很多关于裙带区的方法和夹角的讨论还可严格，更可能被用于这些离散的衬垫。后者的配置在附图中没有标注，但属于本发明的考虑部分。

如图3所示，上缘48和下缘50各自具有光滑的、圆形的，在此表示为倒圆面64，66，该倒圆面从裙部26的外壁30向开口32的内壁68延伸。上倒圆面64和下倒圆面66在此示例为大致彼此对称，具有圆角半径(R)而没有锐角。抛物线形半径对应公式y＝ax，公式的二次导数d²y/dx²＝2a给出流动油膜的固定的加速度。因此，由于固定的加速度值，油料的层流得到增加而湍流减少，从而减少气蚀现象。然而，应该理解，其他多项式形的倒圆面配置在此也是可以预期的，例如包括更高级的多项式。

在往复运动中，平滑的倒圆面64和66都引导油料径向向内进入开口32和腔34，而在上带区60和下带区62的外壁30与缸膛之间维持一个充足的油量。在向下运动中，上倒圆面64促进油料穿过开口32和进入腔34，而相反，在向上运动中，下倒圆面66促进油料穿过开口32和进入腔34。据此，通过引导油料向内进入开口32，液压渐变率完全由带区60和62来决定。因此，在向上向下运动中，临近活塞环带40的油料形成驻波的现象被避免，从而消除了活塞环带40区域溢油的现象。同样，避免了在此活塞环带40区域，特别是活塞环44和活塞环形凹槽42内储存积碳。据此，活塞环44可以保持自由浮动于环形凹槽42内，以利于缸膛内的密封，同时阻止油料向顶层的移动。

本发明的另一方面是由于带状或离散的衬垫状承载表面，在止推/无止推面上传统的弯的、连续的裙部轮廓会发生的活塞的二次摇摆运动将不再发生。实际上，当前裙部设计适合于与母衬垫接触中有效呈现两个、三个或更多轴承中心定位件。在此仅为讨论而非限制，限定为两三个焦点，因而直观地表现为一个线性或角支撑。结果是活塞在缸膛区域内更好地被引导做同轴的往复运动。此配置有利于较少的库仑摩擦和更多的完全液体润滑以及一个稳定的往复运动形态。由此必然的结果是避免了冲击和最小化了衬垫的机械刺激。由此，在很大程度上避免了衬垫冷却侧的气蚀现象。

如图4所示，开口32可以形成彼此不对称的平滑的倒圆面。在这个实施例中，相对于下倒圆面66的曲率半径(r)，上倒圆面64具有更大的曲率半径(R)，或更平缓的多项式曲线。相反，如图5所示，相对于下倒圆面66的曲率半径(R)，上倒圆面64具有更小的曲率半径(r)或更不平缓的多项式曲线。据此，依照活塞的最合适的应用，开口32可被配置为具有各种不同的配置。

此外，如图6所示，开口32可被配置为沿着上缘48和下缘50的长度，具有一个大致对称的形状。另外，如图7和图8所示，上缘48和下缘50可被配置为具有不同的，非对称的形状。例如，图7示出了开口32的一个实施例，相对于下缘50的曲率半径(r)，上缘48的曲率半径(R)沿其长度增大。相反图8示出了开口32的另一个实施例，相对于下缘50的曲率半径(R)，上缘48的曲率半径(r)沿其长度减小。据此，应当理解，开口32可被配置为具有多种配置，以利于油料穿过槽32进入腔34向期望的径向向内的方向流动，而在上带区60和下带区62与缸膛壁之间维持期望的流动油层的厚度。如果利用微小的轴瓦代替带区，同样需要考虑这些。应当理解，配置成所讨论的实施例的各种排列都是可以的，例如如果需要的话，上缘48和下缘50的倒圆面64，66的曲率半径，以及上缘48和下缘50的曲率半径(r，R)沿其长度可以进行调整和组合。

显然，根据以上教导，本发明的许多修正和变型是可能的。因此，应当理解，在所附权利要求的范围内，本发明可不同于上述具体描述通过其他方式实施。

Claims (14)

1.一种活塞，其特征在于，包括：

一活塞主体，该主体具有一上冠部；

一对销毂，该销毂从所述上冠部悬垂，还具有彼此沿销孔轴对齐的销孔；及

一对裙部，位于所述销孔轴相对的两侧，每个裙部具有一凸状的外壁和面对腔的内壁，还具有使所述外壁和所述腔之间形成流体连通的开口，所述开口使所述裙部的所述凸状外壁，形成在延伸穿过所述销孔轴的水平面的上方周向延伸的上带区，和在该水平面下方周向延伸的下带区。

2.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述的各个开口占各自裙部的所述外壁的面积的20-80％。

3.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述上带区和所述下带区占各自裙部的所述外壁的总面积的20-80％。

4.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述开口具有大致平行于水平面延伸的周界的上缘和下缘，和在所述上缘和所述下缘之间，大致垂直于所述水平面的周界的边。

5.如权利要求4所述的活塞，其特征在于，所述上缘和下缘具有大致相同的曲率半径，从所述裙部的所述凸状外壁向内朝向所述腔延伸。

6.如权利要求5所述的活塞，其特征在于，所述曲率半径是抛物线形。

7.如权利要求5所述的活塞，其特征在于，在所述边之间延伸的所述的上缘和下缘具有大致相同的曲率半径。

8.如权利要求5所述的活塞，其特征在于，在所述边之间延伸的所述上缘和下缘具有不同的曲率半径。

9.如权利要求4所述的活塞，其特征在于，所述上缘和下缘具有不同的曲率半径，从所述裙部的所述凸状外壁向内朝向所述腔延伸。

10.如权利要求9所述的活塞，其特征在于，所述曲率半径至少一个是抛物线形。

11.如权利要求9所述的活塞，其特征在于，在所述边之间延伸的所述的上缘和下缘具有大致相同的曲率半径。

12.如权利要求9所述的活塞，其特征在于，在所述边之间延伸的所述上缘和下缘具有不同的曲率半径。

13.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述裙部与所述销毂整体成型。

14.如权利要求13所述的活塞，其特征在于，所述活塞式整体型活塞。

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