CN104246192B - 发动机活塞 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于内燃机的活塞。该活塞包括一活塞本体，该活塞本体由钢制成并包括一冠部、一对裙部和一对销座板。该冠部具有一上燃烧表面、一具有活塞顶内表面面积的下表面以及一带有至少一个环槽的外部环形环带。该销座板从冠部下垂并在一对裙部之间相互隔开地延伸。各销座板分别包括一具有销孔的销座，且该销孔相互对齐以容纳一活塞销。各销座板还具有至少一个凹槽，该凹槽垂直地设置在相应的一个销孔与冠部之间，以增大活塞顶内表面面积，用于改善冠部的冷却效果。

Description

发动机活塞

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年3月12日提交的第61/609,594号申请的权益。

技术领域

本发明主要涉及用于内燃机的活塞，尤其涉及由钢制成的活塞。

背景技术

发动机制造商不断努力地提高电力生产和燃油效率，很多制造商在它们的以汽油为燃料的发动机中集成了先进的技术(例如直接喷射、涡轮机和增压器)。通常，上述的和其它先进技术通过提高发动机缸膛内的燃烧压力和燃烧温度来改进发动机的性能。然而，常规的铝活塞可能无法在提高的温度和压力下正常运行。为了耐受提高的燃烧温度和压力并在提高的燃烧温度和压力下运行，一些活塞制造商开始采用钢来制造它们的活塞。为了冷却他们的钢活塞，很多活塞制造商在他们的活塞本体内集成了一个或多个油通道，以使冷却油保持位于或邻近他们的活塞本体内的上冠部。

发明内容

根据本发明的一方面提供了一种用于内燃机的活塞。该活塞包括一单件活塞本体，该活塞本体由钢制成并包括一冠部、一对裙部和一对销座板，该对裙部在直径上对置并从冠部下垂。该冠部具有一上燃烧表面、一具有活塞顶内表面面积的下表面以及一带有至少一个环槽的外部环形环带。该销座板从冠部下垂并在裙部之间相互隔开地延伸。各销座板分别包括一具有销孔的销座，且销孔相互对齐以容纳并支撑一用于将活塞本体连接至连杆的活塞销。各销座板还具有至少一个凹槽，该凹槽垂直地位于相应的一个销孔与冠部之间，以增大活塞顶内表面面积。在发动机的运行过程中，增大的活塞顶内表面面积会使得用于接收一股冷却油(该冷却油会从冠部提取热量)的表面增大，从而改善冠部的冷却效果。

根据本发明的另一方面，位于销座和冠部之间的凹槽为一窗口，以进一步增大活塞顶内表面面积并在发动机运行过程中进一步改善冠部的冷却效果。

根据本发明的又另一方面，各销座板分别包括一对邻近该窗口设置的侧窗口，以又进一步地增大活塞顶内表面面积并更进一步在发动机运行过程中改善冠部的冷却效果。

根据本发明的又另一方面，各裙部大致呈梯形，梯形的窄尺寸整体连接至冠部的环带。这使得环带下表面暴露于冷却油的长度更长，因而有利于额外地增大活塞顶内表面面积，并且又进一步地在发动机运行过程中改善冠部的冷却效果。

根据本发明的进一步方面，各裙部具一厚度增加的加强肋，其基本在销座板之间延伸，并且在垂直方向上与销孔轴齐平或位于销孔轴下方，该销孔轴延伸穿过对齐的销孔。加强肋使得裙部具有非常薄的壁并且还具有足够的钢度以承受高燃烧负荷并分散裙部负荷。

附图说明

结合下列目前优选实施例和最佳实施方式的具体描述、所附权利要求以及附图进行考虑，根据本发明的上述及其他方面、特征和优点将会更加容易理解，其中：

图1是活塞本体的第一实施例的上部立体图；

图2是活塞本体的第一实施例的侧视图；

图3是活塞本体的第一实施例的下部立体图；

图4是活塞本体的第一实施例的与图3视角不同的另一个下部立体图；

图5是活塞本体的第一实施例的与图3和4视角不同的又另一个下部立体图；

图6是活塞本体的第一实施例沿图4的线6-6剖开的剖视图；

图7是活塞本体的第二实施例的局部剖视立体图；

图8是活塞本体的第三实施例的局部剖视立体图；

图9是活塞本体的第三实施例的另一个局部剖视立体图；

图10是活塞本体的第四实施例的下部立体图；

图11是活塞本体的第四实施例沿图10的线11-11剖开的剖视图。

具体实施方式

参阅附图，在所有附图中，相似的附图标记指示相应的部件，图1主要示出了用于内燃机的活塞的第一个实施例。该活塞具有一单件活塞本体20，该活塞本体20由钢制成并且尺寸紧凑，从而具有很轻的重量。因此，活塞本体20设计为使活塞顶内表面(undercrownsurface)面积最大化，从而使下方有冷却油流动的活塞本体20的冷却效果最优。这使得活塞本体20可以工作在现代内燃机的提高的燃烧温度和压力下。活塞本体20优选适用于以汽油为燃料的火花点火四冲程内燃机，但也可以用于以柴油为燃料的发动机、两冲程发动机、和/或压缩点火发动机中。

仍然参阅图1，该件活塞本体20具有冠部24，该冠部24具有一上燃烧表面26以及一带有多个用于容纳活塞环(未示出)的环槽30(在本实施例中示出为三个)的外部环形环带28，以在活塞本体20与气缸壁(未示出)之间建立密封。最佳如图3所示，环槽30通过槽脊32相互垂直地隔开。冠部24的下表面为活塞顶内表面33，其在发动机的工作过程中接收一股冷却油以冷却活塞本体20。在发动机的工作过程中，冠部24的上燃烧表面26是这样一个部分：其直接暴露于发动机的燃烧汽缸内的燃烧燃料和空气中，因而期望活塞顶内表面33的面积最大化，以使热量最大化地传递至冷却油并远离冠部24。最佳如图1所示，在第一个实施例中，上燃烧表面26大致平坦。然而，应该理解，上燃烧表面26可以具有一燃烧碗或任何期望的一个或多个结构。

活塞本体20还包括一对在直径上对置的裙部34，该裙部34从冠部24的环带28向下延伸。本实施例的裙部34大致呈梯形，并且其整体连接至环带28的上端的尺寸窄，下端的尺寸宽。在发动机的工作过程中，由于上端处的窄尺寸会使环带28的底部暴露于该股冷却油的长度变大，因而会增大冠部24的活塞顶内表面面积，从而使得从冠部24至冷却油的热传递增加。在活塞本体20的第一个实施例中，各裙部34的较窄的上端平滑地与冠部24的环带28的外壁表面结合。

活塞本体20进一步包括一对销座板36，该销座板36从冠部24下垂并从冠部24向下延伸。该对销座板36相互隔开并且在两个裙部34的相邻端部或边缘大致呈直线地延伸。穿过各销座板36分别延伸有一销座38，且各销座38分别具有一销孔40。该销孔40沿销孔轴A相互对齐，从而用于容纳并支撑一活塞销(未示出)，以将活塞本体20连接至内燃机中的连杆(未示出)。如图5所示，各销座40沿销孔轴A延伸一宽度，该宽度大于销座板36的相邻部分24、34的宽度。各销座板36还包括一支撑结构42，该支撑结构42从销座38垂直地向上延伸至冠部24的活塞顶内表面33，以为销座38提供额外的支撑。销座38的厚度优选约为活塞本体20的外直径D的2-4％。

冠部24的上燃烧表面26与销孔轴A之间的垂直距离(通常被称为压缩高度He的尺寸)优选在活塞本体20的外直径D的25-35％范围内。因此，与很多常规活塞相比，活塞本体20具有很低的轮廓。由于缺少很多常规钢制活塞中出现的冷却通道，有利于使第一个实施例的活塞本体20的轮廓低。因此，冠部24的厚度优选在压缩高度H_C的5-10％范围内，裙部34的较小长度(从裙部的底部至销孔轴A的距离)优选在压缩高度H_C的50-60％范围内，且环带28中的至少一个槽脊32的高度优选在压缩高度H_C的2-5％范围内。

仍然参阅图5，销座板36被底切以在销座38的孔上方、冠部24的下方形成一凹槽44，以增大活塞顶内表面22面积，从而在发动机的工作过程中增大从冠部24至冷却油的热传递。除了增大活塞顶内表面面积，凹槽44还减小了活塞本体20的总重量，这将带来其它性能优势，并且减小活塞本体20的材料成本。优选地，活塞顶内表面面积大于或等于0.5*D²*π/4，且D为活塞本体20的外直径D(在图6中示出)。在活塞本体20的第一个实施例中，各销座板36在其内表面和外表面均具有凹槽44，以进一步增大活塞顶内表面面积。

最佳如图4所示，裙部34为薄壁，且其厚度优选在活塞本体20的外直径D的1.5-5％范围内。这是为了减小活塞本体20的重量并且还减小在制造活塞本体20过程中的材料成本。因此，各裙部34分别具有一厚度增大的加强肋，用以在结构上增强裙部34。加强肋46优选大致与销孔轴A齐平，或者垂直地位于销孔轴A的下方，以使活塞本体20的下部区域结构加固。从而，加强肋46使得裙部34具有非常薄的壁但具有足够的刚度，以支承高燃烧负荷并分散裙部载荷。优选地，加强肋46的中间区域设置在销孔轴A下方的约0至10毫米(0-10mm)处。加强肋46在两个销座板36之间沿裙部34的长度周向延伸。

现在参阅图7，主要示出了活塞本体120的第二个实施例，与上文中使用的相差因子100的相似附图标记用于指示与第一个实施例中相对应的部分。在该实施例中，各销座板136分别仅具有一个单独的凹槽144，且各凹槽144分别沿相应销座138的全宽延伸，并且其外侧通过环带128封闭。

现在参阅图8和9，主要示出了活塞本体220的第三个实施例，与上文中使用的相差因子200的相似附图标记用于指示与第一个实施例中相对应的部分。在该实施例中，销座板236上的凹槽244为中央窗口244，其穿过销座板236整体延伸。该实施例还包括一对在中央窗口244的相对两侧间隔开的侧窗口248。与中央窗口244一样，该对侧窗口248垂直地延伸至冠部24的活塞顶内表面233，从而与第一和第二个实施例相比，增大了活塞顶内表面233的面积。如图所示，中央窗口244和侧窗口248基本上整体地垂直地设置在销孔240的上方。此外，该实施例的上燃烧表面226形成为具有燃烧碗250。

现在参阅图10和11，主要示出了活塞本体320的第四个实施例，与上文中使用的相差因子300的相似附图标记用于指示与第一个实施例中相对应的部分。第四个实施例与第三个实施例相似，但侧窗口348的尺寸大大增加，并且它们在销孔340的顶部下方垂直延伸，与第一、第二和第三个实施例相比，这进一步增大了活塞顶内表面233的面积。类似于上述的第三个实施例，第四个实施例还包括位于上燃烧表面326内的燃烧碗350。

与铝制活塞本体相比，钢的使用使得前述实施例的活塞本体20、120、220、320可以在更高的燃烧压力和温度下运行，并且还适用于更高的销座负荷和更小的活塞销。钢的使用还允许更薄的壁，并且因此，典型的钢制活塞本体20、120、220、320可与铝制活塞相提并论。不同于常规的钢制活塞，上述实施例中的钢制活塞本体20、120、220、320不具有任何油通道。相比于采用冷却通道，本发明通过增大用于容纲一股冷却油的活塞顶内表面的面积来达到需要的冷却效果。与常规的钢制活塞相比，缺少冷却通道还使得活塞本体20、120、220、320具有更小的压缩高度H_C。

活塞本体20、120、220、320可以通过任何一种合适的成型工艺或多种成型工艺(例如对坯锭的铸造、锻造、机械加工等)的结合制成。如果需要，活塞本体20、120、220、320还可以经过一种或多种热处理操作。

前述说明为示例而不是对本质上的限制。上述公开实施例的变形和修改对本领域技术人员来说是显而易见的，在此并入本发明的范围内。

Claims (13)

1.一种用于内燃机的活塞，其特征在于，该活塞包括：

一单件活塞本体，其由钢制成并包括一冠部、一对裙部以及一对销座板，该对裙部在直径上对置并从所述冠部下垂；

所述冠部具有一上燃烧表面、一具有活塞顶内表面面积的下表面以及一带有至少一个环槽的外部环形环带；以及

所述销座板从所述冠部下垂并在所述裙部之间相互隔开地延伸，各销座板分别包括一具有销孔的销座，所述销孔相互对齐以容纳一活塞销，且各销座板具有至少一个凹槽，该凹槽位于相应的一个所述销孔与所述冠部之间，以增大所述活塞顶内表面面积，用于改善所述冠部的冷却效果；

所述冠部具有一外直径，且所述活塞顶内表面面积至少为0.5*D²*π/4，其中，D为所述冠部的所述外直径。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，各销座板上的所述至少一个凹槽为单个凹槽，其设置在相邻销座的内表面上，并基本沿相邻销座的全长延伸。

3.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，各销座板上的所述至少一个凹槽进一步定义为一对凹槽，且其中一个所述凹槽位于所述销座板的内表面上，另一个所述凹槽位于所述销座板的外表面上，以进一步增大所述活塞顶内表面面积。

4.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，各销座板上的所述至少一个凹槽为一中央窗口，其在所述销座板的内表面和外表面之间延伸，以进一步增大所述活塞顶内表面面积。

5.根据权利要求4所述的活塞，其特征在于，每个所述销座板进一步包括一对设置在所述中央窗口两侧的侧窗口，以进一步增大所述活塞顶内表面面积。

6.根据权利要求5所述的活塞，其特征在于，所述侧窗口在所述销孔的顶部下方垂直延伸。

7.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述冠部具有一外直径，且所述活塞本体具有一压缩高度，该压缩高度在所述冠部的所述外直径的25-35％的范围内。

8.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，每个所述裙部具有一厚度增大的加强肋，其在所述销座板之间延伸。

9.根据权利要求8所述的活塞，其特征在于，所述销孔沿一销孔轴相互对齐，其中所述加强肋与所述销孔轴齐平或位于所述销孔轴下方。

10.根据权利要求9所述的活塞，其特征在于，所述加强肋位于所述销孔轴下方0-10mm处。

11.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述裙部大致呈梯形，并且窄尺寸整体连接至所述环带。

12.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述销座板在所述裙部的相邻端部之间延伸。

13.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞本体不具有任何油通道。