CN104364507B - 具有附加冷却通道的活塞及具有该活塞的内燃机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种内燃机及其活塞。该活塞具有一本体，该本体包括一上燃烧壁、一包含从上燃烧壁下垂的环带区域的圆柱形外壁，以及一对具有轴向对齐的销孔的销座。该活塞具有与环带区域径向对齐的第一冷却通道，冷却介质容纳在该第一冷却通道中。一插入元件固定至本体，并位于第一冷却通道的一下壁下方且与该下壁轴向间隔开。该插入元件限定了一位于第一冷却通道的下壁下方的第二冷却通道。该插入元件具有一入口，其用于使油对着第一冷却通道的下壁流入第二冷却通道，还具有一单独的出口，其用于使油向外流出第二冷却通道。

Description

具有附加冷却通道的活塞及具有该活塞的内燃机

技术领域

本发明主要涉及内燃机，尤其涉及用于该内燃机的活塞。

背景技术

发动机制造商正面临着越来越多的对于提高发动机效率和性能的要求，提高发动机效率和性能包括但不限于：提高耗热率、改善燃料燃烧、降低耗油量、提高排气温度以用于车辆内热量的后续使用、增加缸膛的燃烧室内的压缩载荷、减少重量，以及使发动机更为紧凑。因此，合适的是提高发动机燃烧室内的温度和压缩载荷。然而，通过提高发动机燃烧室内的温度和压缩载荷，提高了对活塞的耐久和物理要求，因此减少了活塞可能的使用寿命。特别需要关注的区域是：活塞的上燃烧表面区域以及活塞环区域内会积累过度热量以及会相应磨损的区域。

在阅读此处公开的内容以及附图后，对于本领域技术人员而言显而易见的是，根据本发明构造的一种活塞能够更好地承受现代高性能发动机中产生的过度热量。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于内燃机的活塞。该活塞具有一沿中心纵轴延伸的本体，该活塞沿该中心纵轴往复运动。该本体具有一提供上燃烧表面的上燃烧壁，燃烧压力作用在该上燃烧表面上，该本体还具有一包括从上燃烧表面下垂的环带区域的圆柱形外壁，以及一对位于上燃烧壁下方且具有轴向对齐的销孔的销座。该活塞进一步包括一与环带区域径向对齐的第一冷却通道。该第一冷却通道具有一邻近上燃烧表面的上壁以及一下壁。冷却介质容纳在该第一冷却通道中。一插入元件固定至所述本体，该插入元件位于下壁下方并与该下壁轴向间隔开。该插入元件限定了一位于插入元件与第一冷却通道的下壁之间的第二冷却通道。该插入元件具有一入口以及一出口，该入口用于使油对着第一冷却通道的下壁流入第二冷却通道，该出口用于使油向外流出该第二冷却通道。

根据本发明的另一方面，提供了一种内燃机。该内燃机包括一具有一缸膛的发动机缸体，以及一在缸膛内用于注射油的喷油孔。该发动机进一步包括一容置在缸膛内以用于沿一中心纵轴往复运动的活塞。该活塞具有一沿中心纵轴延伸的本体。该本体具有一提供上燃烧表面的上燃烧壁，以及一带有从上燃烧表面下垂的环带区域的圆柱形外壁。该活塞还包括一对位于上燃烧壁下方的销座，并带有一与环带区域径向对齐的第一冷却通道。该第一冷却通道具有一邻近上燃烧表面的上壁以及一下壁，且该第一冷却通道中容纳有冷却介质。一插入元件固定至所述本体。该插入元件位于第一冷却通道的下壁下方并与该下壁轴向间隔开，且该插入元件限定了一位于插入元件与第一冷却通道的下壁之间的第二冷却通道。该插入元件具有一入口和一出口。该入口与喷油孔对齐以用于使得从喷油孔注射的油对着第一冷却通道的下壁流入第二冷却通道中。该出口用于使油向外流出第二冷却通道。

因此，第二冷却通道通过向第一冷却通道提供有效散热器而有助于在使用过程中冷却活塞。由此，使得由第一冷却通道吸收的热量流至第二冷却通道，从而使得上燃烧壁以及环带区域中产生的热量易于消散。因此，在活塞的往复运动中，上燃烧壁以及环带区域的工作温度有效降低，从而提高发动机的性能，并延长其使用寿命。

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是根据本发明一个方面构造的活塞的大致沿垂直于销孔轴延伸的线剖开的剖视图；

图2是图1的活塞的大致沿销孔轴剖开的剖视图；以及

图3是图1和2的活塞的仰视图。

具体实施方式

更详细的请参阅附图，图1-3示出了根据本发明的一个目前优选方面构造的用于在内燃机13(例如，现代的、紧凑的、高性能车辆发动机)的缸膛11中往复运动的活塞10的各种视图。活塞10具有沿中心纵轴14延伸的本体12(通过举例而非限制，该本体12例如为单个的整件铸造材料，或者由锻造材料或坯料制成)，活塞10在缸膛11中沿中心纵轴14往复运动。本体12具有上燃烧壁16，该上燃烧壁16在一侧上具有用于直接曝露于缸膛11内的燃烧气体的上燃烧表面18，在相对的一侧上具有位于部分上燃烧表面18的轴向正下方的活塞顶内表面(undercrown surface)20。活塞本体12还包括大致圆柱形的外壁21，该外壁21具有从上燃烧表面18下垂并越过紧邻上燃烧表面18的环带区域22的圆柱形外表面23。该环带区域22包括一个或多个用于容置相应的活塞环25的活塞环槽24。进一步地，活塞本体12形成为具有封闭的或密封的第一冷却通道26，且冷却介质28设置在该第一冷却通道26中。该第一冷却通道26配置为径向向内并与环带区域22径向对齐或基本径向对齐。插入元件30固定至本体12，并位于第一冷却通道26的下方且与该第一冷却通道26轴向间隔开，以界定一位于插入元件30和第一冷却通道26之间的附加冷却通道(以下称为第二冷却通道31)。该插入元件30具有一入口33，其用于使油37的射流流进第二冷却通道31中，该插入元件30还具有一出口35，其用于使油向外流出第二冷却通道33。

第一冷却通道26中的冷却介质28可以完全提供为金属冷却剂，其在活塞10的工作温度下为液体。考虑到所要求的热传递特性，可以采用任何合适的金属材料。进一步地，冷却介质28可以提供为与粉末金属混合的液态金属(例如铜或铝)。特别当要求改变冷却介质28的热特性时，可以添加金属粉末。又进一步地，可以采用传热液体，例如那些通常用于工业热交换的液体。

最佳如图2所示，活塞本体12具有一对从活塞顶内表面20下垂的销座32，以提供横向间隔开的销孔34，销孔34沿一大致垂直于中心纵轴14延伸的销孔轴36同轴对齐。销座32连接至横向间隔开的裙部38，裙部38在直径上彼此间隔开地跨过销孔轴36的相对两侧，并具有凸起的外表面40，该外表面呈波浪状以用于在缸膛11内滑动运动，从而当活塞10在缸膛内往复运动时有助于使该活塞10保持在其所要求的方向上。

上燃烧表面16表示为具有一凹入其中的燃烧碗42，以在缸膛11内提供所要求的气流。由于燃烧碗42凹入上燃烧表面16，因此，如轴向剖视图所示，燃烧壁16整体具有相对薄的厚度(t)。特别地，燃烧壁16包括第一区域44、第二区域46以及第三区域48，其中，由于凹入的燃烧碗42，因此第二和第三区域46、48较薄。

第一冷却通道26具有一内表面50，该内表面50由邻近上燃烧表面18的上壁52、下壁54以及一对侧壁55、56界定。上壁52以及侧壁55为上燃烧壁16的共用壁，且侧壁55沿部分燃烧碗42延伸，另一侧壁56沿环带区域22延伸。下壁54形成一在燃烧碗42和环带区域22的下部之间延伸的腹板，并且该下壁54示为从圆柱形外壁21径向向上并向内延伸至上燃烧壁16。

第二冷却通道31为开放式冷却通道，油可以通过入口33自由地流入该第二冷却通道31中，并且可以通过出口35自由地向外流出该第二冷却通道31。为了便于引导油通过入口33并进入第二冷却通道31，在发动机13的缸膛11中设置有一喷油孔58。该喷油孔58与入口33对齐，从而至少在部分活塞冲程期间，直接将一股油37通过入口33注射进入第二冷却通道31并对着第一冷却通道26的下壁注射。

插入元件30被构造为一与活塞本体12相独立的单件材料，通过举例而非限制，该插入元件30例如通过冲压工艺进行构造，并且随后固定至本体12。插入元件30位于第一冷却通道26的下壁54的下方并与其轴向对齐地隔开，并且插入元件30作为沿着第二冷却通道31的一侧的边界，且该第二冷却通道31的另一侧以第一冷却通道26的下壁54或基本以该下壁54作为边界。因此，第二冷却通道31内的冷却介质28接触第一冷却通道26的下壁54，从而便于通过将第一冷却通道26的热量传导至第二冷却通道31来排出第一冷却通道26的热量。

所示的插入元件30具有一径向环形外缘60以及自由的径向环形内缘62，入口33形成在该外缘60与内缘62之间。插入元件30具有一壁，该壁从外缘60朝着上燃烧壁16轴向向上且径向向内延伸，且该壁与第一冷却通道26的下壁大致平行，从而使得该插入元件30大致呈杯状并且是圆锥形的。外缘60固定至活塞本体12，并且示为固定至裙部38的内表面64(例如通过压配合、高温胶合、机械机构、焊缝或它们的任意组合将外缘60固定至内表面64)。内缘62示为在销座32与上燃烧壁16之间延伸，并与该销座32以及上燃烧壁16间隔开，从而形成在插入元件30与上燃烧壁16的活塞顶内表面20之间延伸的环形出口间隙(也称为开口35)。该环形间隙35的尺寸或宽度可以在插入元件30的制造中进行控制，以使油向外流过间隙35时达到所要求的流速。因此，由于用于构造插入元件30的构造工艺相对简单，因此，通过用于形成内缘62的结构的相对简单的制造工艺步骤，可以简单且精确地控制由第二冷却通道31提供的冷却能力。

因此，当活塞10在缸膛11中往复运动时，第二冷却通道31通过提供位于第一冷却通道26与第二冷却通道31之间的导热流道而有助于冷却活塞10。由此，使得被第一冷却通道26吸收的热量流至第二冷却通道31，从而使得上燃烧壁16和环带区域22中产生的热量很容易消散至发动机缸体13中，并最终消散至外围环境中。因此，活塞10的工作温度，尤其是上燃烧壁16以及环带区域22的工作温度在活塞10的往复运动期间有效降低，从而提高发动机13的性能并延长其使用寿命。

显然，考虑到上述目前有选实施例的详细说明，根据上述教导，本发明的各种修改和变化都是可能的。因此，应该理解，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。

Claims (22)

1.一种用于内燃机的活塞，其特征在于，该活塞包括：

一本体，其沿一中心纵轴延伸，所述本体包括一提供上燃烧表面的上燃烧壁、一带有从所述上燃烧表面下垂的环带区域的圆柱形外壁、一对位于所述上燃烧壁下方的销座；

一与所述环带区域径向对齐的第一冷却通道，所述第一冷却通道具有一邻近所述上燃烧表面的上壁以及一下壁；

容纳在所述第一冷却通道中的冷却介质；以及

一固定至所述本体的插入元件，所述插入元件位于所述下壁下方并与该下壁轴向间隔开，该插入元件限定了一位于所述插入元件与所述第一冷却通道的所述下壁之间的第二冷却通道，所述插入元件具有一入口以及一出口，该入口用于使油对着所述第一冷却通道的所述下壁流入所述第二冷却通道，该出口用于使油向外流出所述第二冷却通道。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述插入元件具有一固定至所述本体的外缘。

3.根据权利要求2所述的活塞，其特征在于，所述插入元件具有从所述外缘延伸至一自由內缘的壁。

4.根据权利要求3所述的活塞，其特征在于，所述入口形成在位于所述內缘和所述外缘之间的所述插入元件的所述壁中。

5.根据权利要求3所述的活塞，其特征在于，所述自由內缘形成所述出口。

6.根据权利要求5所述的活塞，其特征在于，所述自由內缘与所述上燃烧壁间隔开。

7.根据权利要求6所述的活塞，其特征在于，所述自由內缘为一环形间隙。

8.根据权利要求7所述的活塞，其特征在于，所述自由內缘在所述销座与所述上燃烧壁之间延伸，并与所述销座以及所述上燃烧壁间隔开。

9.根据权利要求3所述的活塞，其特征在于，所述插入元件的所述壁从所述外缘朝着所述上燃烧壁径向向内延伸。

10.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述入口与一喷油孔对齐，以使油从该喷油孔注射至所述第二冷却通道内。

11.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述本体具有一对在直径上间隔开的裙部，所述插入元件固定至所述裙部的内表面。

12.一种内燃机，其特征在于，该内燃机包括：

一发动机缸体，其具有一缸膛；

一位于所述缸膛内用于注射油的喷油孔；以及

一活塞，其容置在所述缸膛内以用于沿一中心纵轴往复运动，所述活塞具有一沿所述中心纵轴延伸的本体，所述本体包括一提供上燃烧表面的上燃烧壁、一带有从所述上燃烧表面下垂的环带区域的圆柱形外壁、一对位于所述上燃烧壁下方的销座；一与所述环带区域径向对齐的第一冷却通道，所述第一冷却通道具有一邻近所述上燃烧表面的上壁以及一下壁；容纳在所述第一冷却通道中的冷却介质；一固定至所述本体的插入元件，所述插入元件位于所述下壁下方并与该下壁轴向间隔开，该插入元件限定了一位于所述插入元件与所述第一冷却通道的所述下壁之间的第二冷却通道，所述插入元件具有一入口，该入口与所述喷油孔对齐以用于使得从所述喷油孔注射的油对着所述第一冷却通道的所述下壁流入所述第二冷却通道中，所述插入元件还具有一出口，该出口用于使油向外流出所述第二冷却通道。

13.根据权利要求12所述的内燃机，其特征在于，所述插入元件具有一固定至所述本体的外缘。

14.根据权利要求13所述的内燃机，其特征在于，所述插入元件具有从所述外缘延伸至一自由內缘的壁。

15.根据权利要求14所述的内燃机，其特征在于，所述入口形成在位于所述內缘和所述外缘之间的所述插入元件的所述壁中。

16.根据权利要求14所述的内燃机，其特征在于，所述自由內缘形成所述出口。

17.根据权利要求16所述的内燃机，其特征在于，所述自由內缘与所述上燃烧壁间隔开。

18.根据权利要求17所述的内燃机，其特征在于，所述自由內缘为一环形间隙。

19.根据权利要求18所述的内燃机，其特征在于，所述自由內缘在所述销座与所述上燃烧壁之间延伸，并与所述销座以及所述上燃烧壁间隔开。

20.根据权利要求14所述的内燃机，其特征在于，所述插入元件的所述壁从所述外缘朝着所述上燃烧壁径向向内延伸。

21.根据权利要求12所述的内燃机，其特征在于，所述入口与一喷油孔对齐，以使油从该喷油孔注射至所述第二冷却通道内。

22.根据权利要求12所述的内燃机，其特征在于，所述本体具有一对在直径上间隔开的裙部，所述插入元件固定至所述裙部的内表面。