CN102597472A - 具有漏气特性的活塞及防止内燃机严重故障的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种防止内燃机可能严重损坏的活塞及方法，从而降低造成发动机昂贵损失的风险。该活塞包括活塞本体，其具有通过壁与内部的冷却室隔开的上燃烧表面。型腔延伸进入上燃烧表面直至壁的封闭底面。型腔中设置有管状构件。该管状构件从上表面向上延伸。气门头可能从其正常工作位置跌落，气门头撞击管状构件并形成从上燃烧表面延伸进入冷却室的漏气直通通道。

Description

具有漏气特性的活塞及防止内燃机严重故障的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2009年11月10日提交的第61/259,814号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用并入此处。
技术领域
本发明主要涉及内燃机，尤其涉及其活塞。
背景技术
当气门在工作过程中跌落并与活塞接触时，会导致公知的内燃机的潜在故障模式发生，该故障模式可导致发动机严重损坏。对发动机产生的危害可以包括更换整个动力气缸系统（活塞、环、衬垫、活塞销和连接杆）、气门机构、气缸盖、机轴以及多次更换发动机缸体。因此，尽管可以修理，但修理这种故障的费用非常昂贵。
发明内容
本发明提供一种防止内燃机可能严重损坏的活塞，从而降低造成发动机昂贵损失的风险。该活塞包括活塞本体，该活塞本体具有通过壁与内部的冷却室隔开的上表面。上表面具有延伸至壁的封闭底面的型腔。型腔中设置有管状构件。管状构件从上表面向上延伸。
根据本发明的另一方面，提供了一种防止内燃机严重故障的方法。该方法包括提供活塞本体，该活塞本体具有通过壁与内部的冷却室隔开的上表面。以及包括，在气门头下方的壁上提供预定位置，用于使用时在预定位置形成穿过壁进入内部的冷却室的直通开口。
根据该方法的另一方面，该方法进一步包括形成延伸进入上表面直至壁的封闭底面的型腔，并在该型腔中设置管状构件，且该管状构件从上表面向上延伸。
根据本发明的另一方面，通过在活塞的上壁中提供用于气门头撞击的预定位置，以形成延伸进入活塞的内部的冷却室的漏气通道，从而提供了一种防止内燃机严重故障的方法。该漏气通道使漏气突然增加，从而提供了问题的即时指示。该指示可以防止对发动机产生进一步损坏。
附图说明
结合下文详细描述的优选实施方案、最佳实施例、所附权利要求和附图，本发明在所述的或者其它方面的特性和优点将更加容易理解，其中：
图1示出了根据本发明一个方面构造的内燃机中活塞的剖视图；
图1A是图1中活塞的俯视图，其示出了位于活塞的上燃烧表面上方的气门头位置；
图2是图1中活塞的圈出部分2的放大图；
图2A是类似于图2的视图，其示出了一种用于在活塞的型腔中固定管状构件的替换机构；
图3是类似于图2和2A的视图，其示出了在活塞中形成的漏气通道。
具体实施方式
更详细地参阅附图，图1示出了根据本发明的一个优选方面构造的活塞10。该活塞10具有沿中心轴14延伸的活塞本体12，活塞10在缸膛（未示出）内沿中心轴14作往复运动。在此作为示例而非限制，活塞本体12包括具有上燃烧表面18的上冠部16，此作为示例而非限制，上冠部16在此处示为具有环形的、平面的、径向的外部20和从外部20径向向内凹入的燃烧碗22。外部20在多个气门头23（图1A）的下方对齐。活塞10示为具有内部的外冷却腔（室）24和中心冷却腔（室）26，外冷却腔24和中心冷却腔26通过环形内肋28彼此分别隔开，在此作为示例而非限制，环形外肋29从外部20下垂。上燃烧表面18通过上壁30与外冷却腔24和内冷却腔26隔开。在此作为示例而非限制，至少一个型腔（优选多个型腔32，其个数与气门头的个数吻合，在图1A中显示为4个）延伸进入壁30的上燃烧表面18超过深度（D）直至壁30的封闭底面34。每个型腔32中均设置有邻接于封闭底面34的管状构件36。当管状构件36设置为邻接于底面34，或者非常接近于底面34后，管状构件36从上燃烧表面18向上延伸。因此，如图3所示，任何一个气门头23均可能变松并从它的正常工作位置跌落，气门头23分别撞击下方的管状构件36，进而使管状构件36以足够的力量撞击脆弱的封闭底面34并冲破该脆弱的封闭底面34。如此一来，在穿过上壁30的预定位置形成了预期的孔（也可以称为直通通道或漏气通道38）。漏气通道38使气体/燃料混合物的漏气突然增加，进而提供问题的即时指示，例如，可以通过压力传感器检测缸膛内的压力来探测该指示。突发的压力变化指示可以给操作员或者发动机控制系统发出信号，从而使操作员或者发动机控制系统关闭发动机以避免对发动机的进一步损坏。
如图1所示，在此作为示例而非限制，活塞10可以构造为具有下冠部40，该下冠部40带有轴向对齐设置的下内肋42和下外肋44，下内肋42和下外肋44用于与上内肋28和上外肋29固定连接，以形成外冷却腔24和内冷却腔26。一对销座46从上冠部16下垂，以提供一对沿销轴50对齐并用于容纳活塞销（未示出）的活塞销孔48。销座46之间设有空间51，以容纳连接杆（未示出）的小端。应该理解，冷却腔24、26可以构造成除所述和所示以外的其它形式，并且除了具有双数的冷却腔，还可以提供单个的冷却腔。
每个型腔32延伸超过从上燃烧表面18延伸至封闭底面34的深度（D）。根据用于将管状构件36固定在型腔32中所需的机构，型腔32可以构造为具有平滑的内壁52或者可以构造为具有织纹的、凸起的或者螺纹的部分53（图2A）。例如，螺纹部分53在此示为延伸大约超过型腔32的上半部，其中，型腔32的下半部保持为非螺纹。如此一来，螺纹53足以将管状构件36保持在正常工作状态，同时使管状构件36在上方气门头23的撞击之下向下运动。因此，通过使型腔32仅部分为螺纹，可确保管状构件在被从正常工作位置跌落的上方气门头23撞击后推进下方的冷却腔24中。尽管为了便于加工，内壁52优选构造成具有笔直的、圆柱形的形状，但如果需要，也可以采用其它形状。型腔32提供了壁30的减小厚度部分54，其中，减小厚度部分54具有在型腔32的底面34与下表面55之间延伸的预定厚度（t）。
固定容纳于型腔32中的管状构件36具有外表面56，例如，外表面56在此示为笔直的、圆柱形的表面。因此，如果型腔32的内壁52是平滑的或者基本平滑的，则外表面56的尺寸大小可以紧密配合（也可以称为压力配合）在型腔32中。另外，可以使用粘合剂或者机械连接机构将管状构件36固定于型腔32中，前提是粘合剂或者机械连接机构能选择性地被气门头23对管状构件36的撞击所破坏。进一步地，如果内壁52具有螺纹部分（图2A），则管状构件36的外表面56同样可以具有配合的螺纹部分，用于螺纹连接于型腔32中。无论如何，例如压紧配合、粘合、设置螺纹或者其他方式，一旦管状构件36固定在型腔32中，，管状构件36的底端58都邻接于或者非常接近于型腔32的底面34，管状构件36的上端60从上表面18向上延伸，在此示为从平面外部20向上延伸。如此一来，管状构件36构造为具有大于型腔32的深度D的预定长度（l），从而当底面58邻近于型腔32的底面34时，确保上端60在外部20的上燃烧表面18上方向上延伸预定距离（d）。距离d至少相同于或者略大于壁30的减小厚度部分54的厚度t。应该理解，上端60不能影响上方的、轴向对齐的气门头23，否则将对正常工作状态下的发动机性能产生不利影响。
如果上方的气门头23从其正常工作位置下降至缸膛燃烧室中（气门头23的故障状态），则气门头32邻接下方管状构件36的上端60，产生的力推动管状构件36向下进入型腔32，并导致壁30的脆弱的减小厚度部分54在管状构件36的推动力下破裂。这样，管状构件36完全在上燃烧表面18与内部的外冷却腔24之间延伸，以形成漏气通道38（图3）。漏气通道38确保为根据壁厚t与管状构件36在上表面20上方延伸的距离d的尺寸关系构造。至少，当管状构件36的上端60通过气门头23向下推动而与外部20齐平或者基本齐平时，管状构件36的底部58被推至与外冷却腔24齐平或者进入外冷却腔24。因此，穿过管状构件36延伸的直通通道从上燃烧表面18完全延伸至外冷却腔24，从而形成开口的漏气通道38。如此一来，当故障发生时，气体/燃料混合物的漏气量增加，使气体/燃料混合物自由流过直通通道38进入冷却腔24，从而促使向操作员和/或控制单元发送压力信号丢失或减小的信息，进而使操作员和/或控制单元在发动机开始进一步损坏之前关闭发动机。
显然，鉴于上述教导，本发明可以有多种修改和变形。因此，应该理解，在所附权利要求的范围内，本发明可以通过具体描述的方式以外的其它方式实现。

Claims (21)

1.一种活塞，其特征在于，包括：
活塞本体，该活塞本体具有通过壁与内部的冷却室隔开的上燃烧表面，所述壁具有至少一个型腔，该型腔朝向所述内部的冷却室延伸进入所述上燃烧表面超过一深度直至封闭底面，所述封闭底面通过所述壁的具有减小厚度的部分与所述内部的冷却室隔开；以及
设置于所述至少一个型腔中并从所述上燃烧表面向上延伸的管状构件。
2.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述管状构件从所述上燃烧表面向上延伸一距离，该距离等于或大于所述减小厚度。
3.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述管状构件的长度大于所述深度。
4.如权利要求3所述的活塞，其特征在于，所述管状构件从所述上燃烧表面向上延伸一距离，该距离等于或大于所述减小厚度。
5.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述管状构件具有笔直的、圆柱形的外表面。
6.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述管状构件在所述至少一个型腔中过盈配合。
7.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述管状构件在所述至少一个型腔内螺纹连接。
8.如权利要求7所述的活塞，其特征在于，所述至少一个型腔在其部分深度上设有螺纹。
9.如权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞本体具有与所述活塞本体上方的气门头个数相吻合的多个所述型腔。
10.如权利要求9所述的活塞，其特征在于，每一个所述型腔与一个单独的气门头对齐。
11.一种防止内燃机严重故障的方法，其特征在于，包括：
提供活塞本体，该活塞本体具有通过壁与内部的冷却室隔开的上燃烧表面；以及
在壁上提供至少一个预定位置，用于使一直通开口从上燃烧表面延伸至内部的冷却室。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括在预定位置形成具有延伸进入上燃烧表面直至壁的封闭底面的深度的型腔，并在型腔中设置从上表面向上延伸的管状构件。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括形成具有在封闭底面与内部的冷却室之间延伸的减小厚度的壁，并将管状构件从上表面向上延伸等于或大于该减小厚度的距离。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括提供长度大于型腔深度的管状构件。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括将管状构件从上表面向上延伸等于或大于减小厚度的距离。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括提供具有笔直的、圆柱形的外表面的管状构件。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括在管状构件与型腔之间形成过盈配合。
18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括将管状构件和型腔螺纹连接。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，进一步包括在小于型腔整体深度的区域上方啮合管状构件和型腔的螺纹。
20.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括将活塞本体构造为具有数量与活塞本体上方的气门头个数相吻合的型腔。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，进一步包括将每一个型腔与一个单独的气门头轴向对齐。
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