CN102388213A - 具有冠部冷却喷嘴的活塞 - Google Patents

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Abstract

一活塞(10，10′)包括一活塞本体(12，12′)，该活塞本体具有一上冠部(16，16′)，该上冠部带有一上燃烧圆顶(18，18′)，燃烧力作用于该燃烧圆顶上。该上燃烧圆顶(18，18′)的下侧包括一冠底区域(60，60′)。该活塞本体(12，12′)还包括一下冠部(26，26′)，以及一对彼此分开的销毂(36，38)以枢转连接一连杆。一外油腔(31，31′)形成为在上冠部(16，16′)和下冠部(26，26′)之间的内腔。该外油腔(31，31′)具有一进油口(50，50′)和一出油口(52，52′)。一管状喷油嘴(54，54′)与出油口(52，52′)流体连通地连接并朝着该冠底区域(60，60′)延伸，其中，油料在活塞(16，16′)的往复运动的过程中排出。冷却油料从该外油腔(33)被喷油嘴(54，54′)引导直至该冠底区域(60，60′)以在被动驱动系统中提供补充冷却。

Description

具有冠部冷却喷嘴的活塞
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年4月10日提交的第61/168,291号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本申请涉及用于内燃机的活塞，更具体地涉及具有内部油料冷却特性的柴油机活塞。
背景技术
已知柴油发动机的中空活塞构造被用于提供增强的冷却能力，从而在废弃排放物方面产生积极的作用，并且延长其使用寿命。在这些应用中，通常的发动机润滑油被用于帮助冷却(传递性地convectively)活塞的热的头部，或者特别是活塞的冠底区域以及活塞的外环带区域。在某些中空的活塞构造中，可在活塞环带区域附近使用单一的外冷却油腔，或者在冠部区域下方使用一个中心油腔，或者各种开放式或封闭式几何形状组合的两个油腔对(双油腔)。双油腔活塞通常具有一个环形的径向外冷却油腔和一个敞开的中心冷却油腔，该中心冷却油腔形成在上冠部和下冠部之间。该外油腔和中心油腔可彼此分离或者被设置为彼此通过多油道流体连通，该油道贯穿中部的肋延伸。此外，已知销润滑通道从一个或两个油腔延伸至活塞销。该润滑通道可以，例如，延伸至销毂的活塞销孔内和/或横向间隔开的销毂之间。该外油腔，不论是形成为单油腔还是双油腔构造，都特别适合于冷却活塞的环带区域，而中心油腔，如果存在的话，特别适合于冷却中心冠部区域，该中心冠部区域部分由燃烧室壁或圆顶形成，该燃烧室壁或圆顶直接暴露于热燃烧气体中。
该燃烧圆顶以及下面的中心冠部区域(例如冠底)在使用过程中暴露于极端热量中。如果在下冠区域没有对热量进行适当的控制，都会导致某些问题。例如，在冠底可能会逐渐形成积碳。该积碳增加了活塞的重量，导致不平衡并最终脱落。在各活动组件间可能由于存在松散的碳片而引起刮伤。另一个在冠底区域过多的热堆积的问题与废气排放物有关。如果柴油发动机内的燃烧温度没有得到很好的控制，燃烧过程相关的效率和排放就不能得到有效的调节。而且进一步地，如果活塞温度被允许升高地太多，润滑油可能过热并可能过早地化学分解，从而降低其使用寿命。
因此，为了有效调节冠底区域的温度，中心油腔需要提供充分流量的冷却液体，例如润滑油。多年以来，发动机设计者试图在中心冠部区域提供充分的油流量的同时避免油由于过热导致的油的劣化以避免上述问题。如果在冠底区域中没有充足的油料供应，或者如果油被允许维持在该区域太长的时间，该过热的油料以及它的冷却和润滑功能就会消失。
因此，需要提供一种改进的活塞设计，特别是用于柴油发动机，在发动机工作过程中使用润滑油使得该冠底区域得到最佳的冷却效果。
发明内容
本发明涉及一种内燃机活塞，该活塞具有上冠部和下冠部。该上冠部包括上燃烧壁，燃烧力作用于该燃烧壁上，一冠底表面形成在上燃烧壁的下表面。该下冠部包括至少一个销毂，用于连接连杆。一外冷却油腔形成于上冠部和下冠部之间。一进油口直接与冷却油腔连通以引导油料进入外冷却油腔。一出油口与该进油口间隔开，并直接连通该外油腔以引导油料流出该外冷却油腔。一喷油嘴直接与该出油口连通以引导至少部分油料通过该出油口从该外冷却油腔朝着冠底流出。在运行过程中随着活塞的往复运动中，该喷油嘴使得油料从外冷却油腔流出并大致朝着冠底喷射循环。除了可以提高冷却性能以外，该喷油嘴特别适合于供应充足的油料至冠底使得油料不会过热。
根据本发明的另一个方面，提供一种在内燃机中利用油料冷却往复运动的活塞的方法。该方法包括步骤：提供一活塞，该活塞具有一上燃烧壁，一内部外油腔和一冠底区域，燃烧力作用于该燃烧壁上，该冠底区域直接位于上燃烧壁的正下方并相对于该外冷却油腔基本同心设置。该活塞在内燃机内基本沿着中心往复轴往复运动。在所述往复运动步骤的同时，冷却油料被引导流入外油腔。外油腔内的油料通过出油口排出。该方法进一步包括引导冷却油料从外油腔通过喷油嘴流向冠底。
附图说明
结合下列具体描述和附图进行考虑，本发明的上述及其他特征和优点将会更加容易理解，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的双油腔活塞的大致沿着销孔轴的横截面视图；
图2是沿着图1中的线2-2的横截面视图；
图3是本发明垂直于销孔轴的可选的单油腔活塞的实施例的横截面视图；
图4是大致沿着图3的线4-4的横截面视图。
具体实施方式
参考附图，其中，相似的数字在附图中指示相同或者相应的部分，图1示出了根据本发明的一个实施例构造的双油腔型的柴油机活塞10。该活塞10具有沿着中心轴14延伸的活塞本体12，该中心轴与活塞10在缸膛(未示出)内往复运动的路径大致一致。该活塞本体12包括一上冠部16，该上冠部具有一上燃烧壁或圆顶18，在此作为示例而非限制，该上冠部具有凹入的燃烧室20，缸膛内的燃烧力直接作用于该燃烧室上，从而成为极端热产生的位置。冠底60成型于燃烧室20正下方的上燃烧壁18的相对面。该上冠部16优选成型为一个单独的或者活块部件，并随后作为活塞10的一部分而组装起来。最初，在活块部件的状态下，该上冠部16具有至少一个，在此示出为一对环形上肋22，24。该肋在此后被称为上内肋22和上外肋24，它们分别从上燃烧壁18悬垂至各自的自由端(在预组装情况下)。
该活塞本体12进一步包括一下冠部26，该下冠部也优选预成型为一个组件，然后将其组装到上冠部16上。该下冠部26具有至少一个，在此示出为一对环形下肋28，30。该肋此后被称为下内肋28和下外肋30，并延伸至各自的自由端(在预组装情况下)，该自由端被设置为与临近上内肋22和上外肋24各自的自由端对准固定，以形成与中心冠部区域分开的单独的外冷却油腔31，该中心冠部区域此后也被称为中心冷却油腔33。上述这些相对的肋可通过任何合适的方式(包括，例如，摩擦焊接、电阻焊接、搅拌焊接、粘合、机械锁合等)彼此连接。
在此示例中，该下冠部26具有一内油腔板32，该内油腔板形成有一环形凸缘34，该环形凸缘从下内肋28朝向中心往复轴14径向向内延伸。该下冠部26具有一外油腔板48，该外油腔板在下内肋28和下外肋30之间横向延伸。至少一个，但是通常为一对销毂36，38大致从外油腔31和中心油腔33悬垂而设有活塞销孔40，42，该活塞销孔沿着销轴44成直线以枢转连接活塞或舵销(未示出)。在销毂36，38之间的间隙46以常见的方式容置连杆(未示出)的小端。
如图2所示，该外油腔板48具有提供进油口50的贯穿开口，该进油口50允许油料通过任何传统的方式进入外油腔31。另一个贯穿开口提供出油口52以允许油料从外油腔31流出。一喷油嘴，此后被称为喷油嘴54，从出油口52并径向向内朝着冠底60延伸，在该实施例中，该喷油嘴延伸入中心油腔33内。该喷油嘴54被动地引导油料从外油腔31向外流入冠底60。更具体地，在活塞10的向上运动的过程中，惯性力作用在外油腔31内的油料上，从而促使油料朝着板48通过出油口52流出。当然，油料也可以自由地通过出油口52流动并进入喷油嘴54。活塞往复运动的作用力是足够大的，使得油料被高速推送通过喷油嘴54，导致油料被强有力地喷射到冠底表面60。虽然喷油嘴54优选为管状，但是也可由任何合适的装置或方法成型。因此，一种改进的油流在燃烧室20的正下方进行，以提供对冠底区域60更好的冷却而不会导致油料的过热。
在此示例中，上冠部16在此示出为具有环形的外油腔凹槽56，该外油腔凹槽从内肋和外肋的自由端向上延伸形成上环带区域58。但是，这种特殊的设计细节可根据特定的应用或其他参数进行调节。
该下冠部26可由钢或其他金属通过铸造或锻造工艺形成，该下冠部具有一环形外油腔凹槽62，该外油腔凹槽从内肋和外肋自由端向下延伸形成下环带区域64。在将上冠部16固定于下冠部26之后，形成该环形外油腔(在此示出为基本封闭的外油腔31)和敞开的内冷却油腔或中心冷却油腔33。该外油腔31由外肋24，30和内肋22，28来界定，而中心油腔33由内肋22，28的外缘和圆顶18的上表面来界定。
在适当的环境中，理想的是，在内油腔板32，34内和/或贯穿环形内肋22，28形成有一个或多个补充油道。例如，如图1和图2所示，补充油道66成形为贯穿下内肋28，优选地从外油腔31的最下部向上延伸至由凸缘34形成的中心油腔凹槽33的板。随着活塞往复运动，该向上的油道66允许额外的冷却油料震荡地从外油腔31流入中心油腔区域33。通过晃动作用，中心油腔区域33内的油料在通过凸缘34的中心开口降落之前将被溅至冠底60上，并最终在发动机中与通常储备的润滑油汇合。
为了便于冷却活塞10，各入油口和出油口50，52可相对彼此以任何合适的配置进行定向。图2示出了彼此径向相对地贯穿外油腔31的板48，并大致从活塞销轴44偏移45度。但是这只是一个示例，应该理解，其他的几何关系也可以提供合格的性能。在任何情况下，发动机曲轴箱内的油料将通过入油口50向上进入外油腔31，因此油料围绕外油腔31循环并被导引通过出油口52和喷油嘴54向下流出外油腔31，在喷油嘴处，油料被强有力地喷射到冠底60。如果活塞10配合有可选的油道66或其他补充出油口特征，没有通过喷油嘴54导出的外油腔31内的油料将通过油道66排出。
该喷油嘴54优选具有一个通过连接件69连接至外油腔板48的一个末端68。该连接件69与出油口52流体连通。喷油嘴54的相对末端70悬臂式地朝着中心油腔33延伸和/或延伸入中心油腔33。该喷油嘴54的连接件69可采用任何合适的技术进行连接，例如螺钉、压入配合、联锁、螺纹连接、粘合或焊接。也可沿喷油嘴54的长度进行补充连接将其连接至下冠部26，如果需要的话，例如通过支架或者夹子(未示出)连接。喷油嘴54的安装可以在将下冠部26连接至上冠部16之前或者之后进行。该喷油嘴54可由任何合适的金属或者由高温聚合塑料材料制成。较轻的材料将有利于在运行过程中降低作用在喷油嘴54、连接件69和其他支架上的惯性作用。
该喷油嘴54可根据需要配置为适合于特殊的安装和应用。该喷油嘴54如图1和图2所示，示出为基本U型地弯曲，并具有基本均匀的内径。当然，喷油嘴54的长度和通道配置可以根据需要进行调整以更有效地将油料从外油腔31向上喷射到冠底区域60。因此，从外油腔31流出的油料是循环的，以帮助控制冠底区域60的温度而不会引起油料的过热。
图3是大致垂直于销孔轴44′的可选的单油腔活塞实施例10′的横截面视图。为了方便，在该可选的实施例中，图3和图4中采用相似或相应的附图标记进行指示。图3和图4中引用的组件的完整描述可参考前文。
在该可选的实施例中，活塞10′并不具有中心油腔。因此，在该应用中，该喷油嘴54′实现了预期的有意义的和可靠的到冠底区域60′的冷却油料的应用，而通过其他的方式是不可能实现的。正如前述示例，该喷油嘴54′在一个末端68′处通过连接件69′连接于外油腔31′的板48′。该喷油嘴54′的相对末端70′路径向内并向上地朝向冠底区域60′。图4示出了喷油嘴54′的位置被选择为避免影响销毂的干扰，这与第一实施例相似。从喷油嘴54′的末端70′的排出优选为沿着与中心往复轴14′交叉的方向。
正如第一示例所述，该喷油嘴54′作为一个被动系统运行，自动导引油料直接响应活塞10′的往复运动。由往复运动的活塞10′产生的惯性力作用于外油腔31′内的油料上，由发动机RPM的变化引起惯性波动。活塞10′往复运动越快(即高RPM)，越多的油料将被循环且可进行越多的热交换。
显然，根据上述教导，本发明的各种修改和变化都是可能的。例如，应该理解，活塞10，10′可被构造成两件式元件(即用元件连接的)或整体式单件材料，例如通过单一钢铁铸造工艺形成。此外，应该理解，如果需要的话，可引入多个喷油嘴54，54′。其他类似的配置也是可行的。因此，应当理解，在所附权利要求范围内，本发明也可通过除了具体描述以外的方式实现。
前文已经根据相关的法律标准对发明进行了详细描述，因此说明书在本质上作为示例而非限制。各种对所公开的实施例的变化和修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的且落入本发明的保护范围。

Claims (20)

1.一种用于内燃机的活塞(10，10′)，包括：
一上冠部(16，16′)，该上冠部包括一上燃烧壁(18，18′)，燃烧力作用于该上燃烧壁上，一冠底表面(60，60′)形成在所述上燃烧壁(18，18′)的下表面上；
一下冠部(26，26′)，该下冠部包括至少一个销毂(36，38)以连接一连杆末端；
一外冷却油腔(31，31′)，该外冷却油腔形成在所述上冠部(16，16′)和所述下冠部(26，26′)之间；
一进油口(50，50′)，该进油口直接与所述外冷却油腔(31，31′)连通以引导油料进入所述外冷却油腔(31，31′)；
一出油口(52，52′)，该出油口与所述进油口(50，50′)间隔开，并直接与所述外冷却油腔(31，31′)连通以引导油料流出所述外冷却油腔(31，31′)；
一喷油嘴(54，54′)，该喷油嘴直接与所述出油口(52，52′)连通以引导至少部分油料通过所述出油口(52，52′)流出所述外冷却油腔(31，31′)并流向所述冠底(60，60′)。
2.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述喷油嘴(54，54′)包括一大致管状元件。
3.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述外冷却油腔(31，31′)具有一板(48，48′)，所述出油口(52，52′)设置于所述板(48，48′)内；其中，所述喷油嘴(54，54′)在所述出油口(52，52′)附近的一个末端(68，68′)和相对端(70，70′)之间延伸，该喷油嘴被定向为用于朝向所述冠底(60，60′)排出。
4.如权利要求3所述的活塞，其特征在于，所述上冠部(16，16′)和所述下冠部(26，26′)彼此连接成整体的活塞本体(12，12′)，该活塞本体沿着通常的中心往复轴(14，14′)延伸；所述大致管状的喷油嘴(54，54′)的所述相对端(70，70′)基本朝向所述中心往复轴(14，14′)定向。
5.如权利要求3所述的活塞，其特征在于，该活塞进一步包括一互连件(69，69′)，该互连件位于所述喷油嘴(54，54′)的所述一个末端(68，68′)和所述外冷却油腔(31，31′)的所述板(48，48′)之间。
6.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，该活塞进一步包括一中心冷却油腔(33)，该中心冷却油腔直接位于至少部分所述冠底表面(60，60′)的正下方。
7.如权利要求6所述的活塞，其特征在于，所述中心冷却油腔(33)包括一内油腔板(32)，该内油腔板具有一中心开口；所述喷油嘴(54，54′)通过所述中心开口延伸进入所述中心冷却油腔(33)。
8.如权利要求7所述的活塞，其特征在于，所述中心冷却油腔(33)包括一环形凸缘(34)，该环形凸缘将所述内油腔板(32)和所述中心开口隔开。
9.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述外冷却油腔(31，31′)具有板(48，48′)，内环形壁(22，22′，28，28′)，外环形壁(24，24′，30，30′)和由所述上燃烧壁(18，18′)的一部分限定的吊顶；所述冠底表面(60，60′)相对于所述外冷却油腔(31，31′)基本同心设置；一中心开口基本同心设置于所述内环形壁(22，22′，28，28′)内；所述喷油嘴(54，54′)通过所述中心开口延伸。
10.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述下冠部(26，26′)包括一对分隔开的销毂(36，38)，所述销毂(36，38)具有沿着销孔轴(44，44′)彼此对齐的销孔(40，42)。
11.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述上冠部(16，16′)和所述下冠部(26，26′)分别预成型为单独的活块元件，随后彼此连接成整体式的活塞本体(12，12′)，该活塞本体沿着通常的中心往复轴(14，14′)延伸。
12.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，进一步包括一中心冷却油腔(33)，该中心冷却油腔直接位于所述冠底表面(60，60′)的正下方并相对于所述外冷却油腔(31，31′)基本同心设置；一内环形壁(22，22′，28，28′)将所述中心冷却油腔(33)和所述外冷却油腔(31，31′)隔开；以及一补充油道(66)在所述外冷却油腔(31，31′)和所述中心冷却油腔(33)之间贯穿内环形壁(22，22′，28，28′)延伸。
13.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述外油腔(31，31′)形成为所述上冠部(16，16′)和所述下冠部(26，26′)之间的内含物。
14.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述上燃烧壁(18，18′)包括一大致环形的凹入的燃烧室(20，20′)。
15.一种用于内燃机压缩打火的活塞(10，10′)，包括：
一上冠部(16，16′)，该上冠部包括一上燃烧壁(18，18′)，燃烧力作用于该上燃烧壁上，一冠底表面(60，60′)成形在所述上燃烧壁(18，18′)的下表面上；所述上燃烧壁(18，18′)包括一大致环形的凹入的燃烧室(20，20′)；
一下冠部(26，26′)，该下冠部包括一对间隔开的销毂(36，38)以连接一连杆末端，所述销毂(36，38)分别具有沿着销孔轴(44，44′)彼此对齐的销孔(40，42)；
所述上冠部(16，16′)和所述下冠部(26，26′)分别预成型为单独的活块元件，随后彼此连接成整体式的活塞本体(12，12′)，该活塞本体沿着通常的中心往复轴(14，14′)延伸；
一外油腔(31，31′)，该外油腔形成为所述上冠部(16，16′)和所述下冠部(26，26′)之间的内含物，所述外油腔(31，31′)具有板(48，48′)，内环形壁(22，22′，28，28′)，外环形壁(24，24′，30，30′)和由所述上燃烧壁(18，18′)的一部分限定的吊顶；
一进油口(50，50′)，该进油口直接与所述外油腔(31，31′)连通以引导油料进入所述外油腔(31，31′)；
一出油口(52，52′)，该出油口与所述进油口(50，50′)间隔开，并直接与所述外油腔(31，31′)连通以引导油料流出所述外油腔(31，31′)；
一大致管状的被动的喷油嘴(54，54′)，该喷油嘴具有一个直接与所述出油口(52，52′)连通的末端以接收来自外油腔(31，31′)的油料，并引导油料直接响应活塞(10，10′)的往复运动而流向所述冠底(60，60′)；所述喷油嘴(54，54′)包括一连接件(69，69′)，该连接件将所述喷油嘴的一个末端(68)连接至所述外冷却油腔(31，31′)的所述板(48，48′)。
16.一种在内燃机中利用油料冷却往复运动的活塞的方法，其步骤包括：
提供一活塞(10，10′)，该活塞具有一上燃烧壁(18，18′)，一内部外油腔(31，31′)和一冠底(60，60′)，燃烧力作用于该上燃烧壁上，冠底直接位于该上燃烧壁(18，18′)的正下方并相对于该外冷却油腔(31，31′)基本同心设置；
在内燃机内基本沿着中心往复轴(14，14′)往复运动该活塞(10，10′)；
在所述往复运动步骤的同时，引导油料流入外油腔(31，31′)；
通过出油口(52，52′)将油料从外油腔(31，31′)排出；以及
引导油料从外油腔(31，31′)通过喷油嘴(54，54′)直接流向冠底(60，60′)。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述排出和所述引导步骤直接响应于所述往复运动步骤，其中活塞(10，10′)沿着中心往复轴(14，14′)的往复运动使得油料通过喷油嘴(54，54′)移动。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述引导步骤包括沿着与中心往复轴(14，14′)交叉的方向从喷油嘴(54，54′)的相对端(70，70′)排出冷却油料。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述提供活塞(10，10′)步骤包括预成型上冠部(16，16′)和下冠部(26，26′)为单独的活块元件，随后将所述上冠部(16，16′)和所述下冠部(26，26′)连接成整体式的活塞本体(12，12′)。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述随后的连接所述上冠部(16，16′)和所述下冠部(26，26′)的步骤包括焊接连接。
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