CN104641095A - 具有油冷却通道的活塞及其构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于内燃机的活塞及其构造方法。该活塞包括活塞本体，活塞本体具有上燃烧表面和围绕下冠部区域的环形的冷却通道。外壁从上燃烧表面悬垂。环形的环带区域形成于邻近上燃烧表面的外壁内。该环带区域具有形成于其中的至少一个环槽。至少一个油道从至少一个环槽延伸至冷却通道。该油道具有从环槽径向向内悬垂的第一部分和从第一部分径向向内上行至冷却通道的第二部分。

Description

具有油冷却通道的活塞及其构造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年7月20日提交的第61/674,120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

本发明大致涉及内燃机，更具体的涉及活塞以及它们的构造方法。

背景技术

发动机制造商正面临日益增加的提高发动机效率和性能的需要，包括但不限于，提高燃料经济性、改善燃料燃烧、减少油耗、增加排气温度用于车辆内热量的后续使用、增加缸镗内的压缩荷载、减少重量并且使发动机更加紧凑等。据此，需要增加发动机燃烧室内的温度和压缩荷载。然而，通过增加发动机燃烧室内的温度和压缩荷载，活塞的摩擦和物理需求也提高了，尤其是当活塞的运行温度超过240-270摄氏度时，会因此降低它潜在的使用寿命。需要关注高温的一个特殊区域是沿着活塞的上燃烧表面以及活塞的内部区域内，比如活塞的下冠部区域。

据此，已知的是通过将油在压力下从集油区域向上强制导入活塞的下冠部区域的电动油泵系统促进下冠部区域的冷却。尽管已知的机械泵或者电动泵能够有效地降低活塞的运行温度，但它们成本很高。典型地，在典型的6缸重型发动机中，电动泵需要大约2-3kW的能量，在更大的发动机中甚至更多。如此，电动泵会引起发动机的附加损失，其反过来导致降低的发动机性能，降低的发动机效率以及降低的燃油经济性。

根据本发明构造的活塞至少克服了上述已知的活塞冷却系统的缺点，本领域技术人员在阅读本公开内容以及参阅附图后将容易领会。

发明内容

根据本发明的一个方面构造的用于内燃机的活塞具有制造经济性并且展现出长久实用的使用寿命。该活塞包括活塞本体，活塞本体具有上燃烧表面以及围绕下冠部区域的环形的冷却通道，以及从上燃烧表面悬垂的外壁，以及形成于邻近上燃烧表面的外壁内的环形的环带区域。该环带区域具有形成于其中的至少一个环槽。至少一个油道从至少一个环槽延伸至冷却通道。油道具有从至少一个环槽径向向内悬垂的第一部分以及从第一部分径向向内上行至冷却通道的第二部分。

根据本发明的进一步方面，冷却通道具有一底部表面并且油道延伸穿过该底部表面。

根据本发明的进一步方面，油道包括从冷却通道的底部表面向上延伸入冷却通道的管状元件。

根据本发明的另一个方面，一埋头孔从冷却通道的底部表面悬垂并且该管状元件固定于埋头孔内。

根据本发明的又另一个方面，活塞本体包括固定于下部的上部，其中油道完全形成于下部内。

根据本发明的又另一个方面，活塞本体构造为单独的整块的材料。

根据本发明的又另一个方面，第一部分形成为围绕外壁延伸的环形槽。

根据本发明的又另一个方面，第二部分形成为穿过外壁延伸入冷却通道并且与第一部分相交的通孔。

根据本发明的另一个方面，在邻近外壁的通孔内设置一塞子以防止流经第二部分的油绕过冷却通道。

根据本发明的又另一个方面，提供一种构造用于内燃机的活塞的方法。该方法包括形成一活塞本体，活塞本体具有上燃烧表面以及围绕下冠部区域的环形的冷却通道，以及从上燃烧表面悬垂的环形的环带区域。进一步地，在环带区域内形成油环槽。又进一步地，通过形成从油环槽径向向内悬垂的油道的第一部分以及从第一部分径向向内上行至冷却通道的第二部分，而形成从油环槽延伸至冷却通道的至少一个油道。

根据本发明的另一个方面，该方法可进一步包括形成穿过冷却通道的底部表面延伸的油道。

根据本发明的另一个方面，该方法可进一步包括形成油道的一部分，该部分具有从冷却通道的底部表面向上延伸的一管状元件。

根据本发明的另一个方面，该方法可进一步包括将管状元件固定于延伸入冷却通道的底部表面内的埋头孔内。

根据本发明的另一个方面，该方法可进一步包括通过将一上部固定于下部形成活塞本体，上部和下部界定了冷却通道并且其中至少一个油道完全地形成于下部内。

根据本发明的另一个方面，该方法可进一步包括将活塞本体形成为整块的材料。

根据本发明的另一个方面，该方法进一步包括将第二部分形成为穿过外壁延伸入冷却通道的通孔以及在邻近外壁的通孔内设置一塞子。

根据本发明的另一个方面，该方法进一步包括将第一部分形成为围绕外壁的外圆周延伸的环形槽。

附图说明

参阅以下当前优选实施例和最优模型的详细说明、所附权利要求以及附图，本发明的这些和其它方面、特征以及优点将更易于领会，其中：

图1是根据本发明的一个方面构造的活塞的立体示意图；

图1A是图1的活塞的局部剖面示意图；

图1B是根据本发明的另一个方面构造的活塞的类似于图1A的示意图；

图2是图1A中的圈2所包围的区域的放大的剖视图；

图1C是根据本发明的另一个方面构造的活塞的类似于图1A的示意图；以及

图1D是根据本发明的另一个方面构造的活塞的类似于图1B的示意图。

具体实施方式

更详细地参阅附图，图1示出了根据本发明一个方面构造的活塞10，以用于在内燃机的缸镗或者腔室内(图中未示)往复运动，比如新一代高性能汽油或者柴油发动机，比如用于高性能轿车和重型卡车中。该活塞10具有一本体12，该本体通过浇铸或者锻造制造，或者通过已知的制造活塞的任何其它制造工艺形成，无论是整块的、单块材料或者多块材料固定于一起，该本体沿着一中心纵轴14延伸，活塞10沿着该中心纵轴14在缸镗内做往复运动。如图1A中最优所示的本体12具有两部分，包括彼此固定连接的一顶部，也称为上冠部16，以及一底部，也称为下冠部18，比如通过焊接工艺(例如摩擦焊接工艺)沿着摩擦焊缝或者接缝17、19连接。关于本文中的“竖直”“顶”“底”“上”“下”，是指相对于沿着竖直纵向中心活塞轴14定向的活塞10而言，在使用中活塞10沿着该中心活塞轴14做往复运动。由于活塞可能以一定角度或者以完全竖直之外的其他方向安装以及运行，因此这是为了便于解释相对的特征位置，而非作为限制。下冠部18具有远离上冠部16延伸的一对销壳20以提供侧向隔开的销孔22，销孔22沿着大致垂直于中心纵轴14延伸的一销孔轴24对齐。销壳20通过支撑部28与在直径方向上隔开的裙部26连接。上冠部16具有一上燃烧表面30，示出为具有嵌入其中的一燃烧碗32以向缸镗提供所需的气流。本体12具有从上燃烧表面30悬垂的圆柱形的或者基本圆柱形的外壁34，包括直接邻近上燃烧表面30的竖向延伸的上部36以及形成于邻近上燃烧表面30的外壁34内且从上燃烧表面30和上部36竖向悬垂的环带区域38。环形的圆环面形状的冷却通道40从环带区域38径向向内且与环带区域38径向对齐地形成。冷却通道40围绕且周向围绕直接固定于上燃烧表面30之下的下冠部区域42延伸。环带区域38具有形成于其中的至少一个环槽，示为包括压缩环槽44、清洁环槽46和最底部油环槽48的多个环槽。至少一个油道50从油环槽48连续地延伸至冷却通道40。

如图1A最优所示，油道50形成为连续的、不间断的通道，包括从油环槽48径向向内悬垂(向下延伸)的第一部分52以及直接从第一部分52径向向内上行(向上延伸)至冷却通道40的第二部分54。据此，油道50并不沿着一个连续的直线路径，并且因此，通过油道50形成的向下以及向上延伸的路径通过一种流体静力油压波将从汽缸壁刮下的油输送入冷却通道40内，该流体静力油压波响应活塞10向上以及向下的往复运动产生。据此，确保足够的油通过油道50被供应至冷却通道40以及下冠部区域42，以使活塞10所需的工作温度保持在与所需的活塞应用一致的温度，而不需通过机械泵或者电动油泵供油。无论怎样，如此刮下的油还可用于补充由现有泵送机构提供的一小部分的流量，总流量功率消耗小于纯机械或者电动冷却油供给，从而最大化发动机的运行效率和运行性能。

通过示例而非限制，上冠部16示出为具有从燃烧碗32的下表面悬垂至内上连接表面的一环形内筋56，也称为内自由端。上冠部16还具有形成为壁34的一部分的环形外筋58，该环形外筋悬垂至外上连接表面，也称为外自由端。压缩环槽44示出为形成于上冠部16内，同时其他槽46、48示出为形成于下冠部18内。

下冠部18与上冠部16分开制造，比如用锻造工艺，作为示例而非限制。下冠部18通过至少一个直立的环形的外下连接表面60(也称为直立的环形外筋)连接至上冠部16，并且示出为还通过直立的环形内筋62连接至上冠部16。通过焊接，比如摩擦焊接，作为示例而非限制，上冠部16和下冠部18穿过它们各自的外筋58、60和内筋56、62而彼此连接，大体封闭的外油道40通过上冠部16和下冠部18的筋56，58，60，62以及燃烧碗32的上壁部分64(也称为顶板)，并且又进一步通过冷却通道40的最底部面板66(其示为形成为下冠部18的一部分)而界定。进一步，在上冠部16和下冠部18彼此连接之后，一敞开的内通道68形成于销孔22之上以及下冠部区域42的中心部分之下，且从冷却通道40径向向内形成。应当认识到根据本发明构造的活塞10可具有另外成型的上冠部和下冠部，比如具有不同的油道结构。进一步，作为示例，下冠部18示出为通过清洁环槽46以及用于容纳油环70的最下部的油环槽48形成环带区域38的下部(图2)。但是，应当认识到，如果需要，这些环槽46、48可形成于上冠部18内。又进一步，如图1B所示，其中通过对如上所用的相同附图标记增加100标示如上所述的类似的特征，根据本发明的另一个方面构造的活塞110可具有形成为整块材料的活塞本体112，从而成为单块材料。当然，活塞本体112包括如上所述所有相同的环槽144、146、148，以及如上所述的冷却通道140以及包括第一部分152和第二部分154的油道150。如此，关于整块活塞本体112无需进一步讨论。

油道50包括如图1A所示完全形成于下冠部18内的交叉的第一部分52和第二部分54，因此，第一部分52和第二部分54可在上冠部16和下冠部18彼此固定之前形成。第一部分52机械加工为进入油环槽48的底部表面的环形的槽、孔道或者凹陷，因此，第一部分52在油环槽48之下轴向延伸并与油环槽48直接流体连通。如此，第一部分52围绕环带区域38的整个外圆周延伸，通过油环70刮下的任何油(比如在活塞10的上行冲程中刮下的油)被向下导入围绕下冠部18的整个外围延伸的第一部分52。通过第一部分52，随后油(比如在活塞10的下行冲程中)通过油道50的第二部分54被向上导入冷却通道40。第二部分54(比如通过钻孔工艺)形成为穿过圆柱形壁34的外表面向上且径向向内延伸入冷却通道40的洞，其中，第二部分54与第一部分52在交叉点71处交叉。据此，第一部分52和第二部分54彼此流体连接。随着第二部分54形成为穿过外壁34的外表面以及穿过冷却通道40的面板66延伸的通孔，塞子72以压配合方式设置于直接邻近圆柱形壁34的外表面的通孔内。如此，塞子72位于外壁34的外表面与第一部分52和第二部分54的交叉点71之间。如此，防止油道50内的油流从圆柱形壁34向外流出通孔的底部，因此，一旦将油收集入第一部分52内，油必须持续向上流经第二部分54进入冷却通道40。一旦进入冷却通道40，油就以类似鸡尾酒调酒器的形式振荡，从而冷却与冷却通道40结合的所有表面。随着油在冷却通道40内振荡，油随后从冷却通道40穿过油孔或油口74向外导入内通道68。如此，油进一步能够冷却下冠部区域42并且润滑活塞10的最内部区域，包括销壳20、销孔22以及连杆的小端。

为了促进油从冷却通道40导入内冷却通道68，并且阻止从冷却通道40经油道50的油的回流，在第二部分54内固定一管状构件76以从第二部分54向外延伸。通过示例而非限制，管状构件76示为设置于从面板66延伸入第二部分54的扩大的埋头孔78内，从而容许管状构件76的内径与第二部分54的内径相同或基本相同，并且因此，使经过第二部分54进入冷却通道40内的油流最大化。进油管50处的几何特征可被设计使刮擦以及收集进入第一部分52的油最大化。在图1A所示的实施例中，管状构件76在上冠部16和下冠部18彼此固定之前被固定于埋头孔78内，由于其具有大于第二部分54的直径的外直径，不可能使管状构件76穿过第二部分54延伸。在图1B的实施例中，管状构件176可被推入由通孔形成的第二部分154内以及冷却通道140内，因此，管状构件176在第二部分154内具有压配合或者线线配合。管状构件76以与中心纵轴14倾斜的状态从底部表面66向上并且从第二部分54向外延伸一预定距离X，比如在1.0-5.0mm之间，并且优选地为2.0-4.0mm。如此，由于管状构件76在汇集的油上方延伸，沿着冷却通道40的面板66的任何汇集的油均不能通过油道50回流。实现类似功能的另一种方法是分别在活塞10’、110’内的面板66上锻造局部的凸耳销76’、176’，分别如图1C和1D所示，使得凸耳销76’、176’与面板66成为整块材料，并且穿过凸耳销76’、176’钻孔，从而提供与活塞10’、110’的部件18、112形成为整块材料的管状构件76’、176’。据此，确保油流路径是单向的，流经第二部分54进入冷却腔室54并且不回转，从而在油通过油口74导出冷却通道40之前保证在冷却通道40内提供所需数量的冷却。

根据本发明的另一个方面，提供了一种构造用于内燃机的活塞10的方法。该方法包括形成一活塞本体12，活塞本体12具有上燃烧表面30和围绕下冠部区域42的环形的冷却通道40，环形的环带区域38从上燃烧表面30悬垂。进一步，在环带区域38内形成环形的油环槽48。又进一步，通过形成从油环槽48径向向内悬垂的油道50的第一部分52以及从第一部分52径向向内上行至冷却通道40的第二部分54，形成从油环槽48延伸至冷却通道40的至少一个油道50。该方法进一步包括将第一部分52形成为围绕环带区域38的整个圆周延伸的环形孔道。

根据本发明的另一个方面，该方法可进一步包括形成穿过冷却通道40的底部表面66的油道50。又进一步，根据本发明的又另一个方面，该方法可进一步包括形成油道50的一部分，其中管状构件76从冷却通道40的底部表面66向上延伸入冷却通道40内一预定距离。又进一步，根据本发明的又一个方面，该方法可包括将管状构件76固定于延伸入冷却通道40的底部表面66内的埋头孔78内。

该方法可进一步包括通过将上部16固定于下部18而形成活塞本体12，其中上部16和下部18界定了冷却通道40并且在下部18内形成油道50。

根据本发明的另一个方面，该方法进一步包括将第一部分52形成为围绕活塞头的圆周连续延伸的环形槽。

根据本发明的另一个方面，该方法进一步包括将第二部分54形成为洞，比如通过钻孔作业形成。又进一步，该方法包括将第二部分52形成为在相对的两端敞开的通孔，然后在邻近圆柱形壁34的外表面且位于第一部分52之下的一端用一塞子72堵塞。

该方法进一步包括将活塞本体112形成为整块材料。

据此，应当认识到，包括如上所述以及所示的活塞10、110的发动机极大地降低了电动油泵对能量消费的需要，如果包括，有效地将活塞冷却至与特定活塞应用一致的运行温度以下。这起因于由于油道50的存在而导致油泵冷却活塞10、110的需求的减少。进一步，在一些发动机中，应当认识到可完全废除对耗能油泵的需要，而油道50可独立实现将活塞10、110的运行温度维持在240-270摄氏度以下。

显然，根据上述教导，本发明的许多修正和变型都是可能的。因此，应当理解，在所附权利要求和最终获得授权的进一步权利要求的范围内，本发明也可通过除了具体描述以外的方式实现。

Claims (23)

1.一种用于内燃机的活塞，其特征在于，所述活塞包括：

一活塞本体，所述活塞本体具有一上燃烧表面和围绕一下冠部区域的环形的冷却通道，以及从所述上燃烧表面悬垂的外壁，以及形成于邻近所述上燃烧表面的所述外壁内的环形的环带区域，所述环带区域具有形成于其中的至少一个环槽；以及

从所述至少一个环槽连续延伸至所述冷却通道的至少一个油道，所述至少一个油道具有从所述至少一个环槽径向向内悬垂的第一部分以及直接从所述第一部分径向向内上行至所述冷却通道的第二部分。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述冷却通道具有一底部表面，所述至少一个油道延伸穿过所述底部表面。

3.根据权利要求2所述的活塞，其特征在于，所述至少一个油道包括从所述底部表面向上延伸的一管状构件。

4.根据权利要求3所述的活塞，其特征在于，所述底部表面具有沿着所述至少一个油道延伸入其中的一埋头孔，所述管状构件固定于所述埋头孔内。

5.根据权利要求3所述的活塞，其特征在于，所述管状构件与所述底部表面一起形成整块材料。

6.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞本体包括固定于一下部的上部，所述至少一个油道形成于所述下部内。

7.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，进一步包括从所述冷却通道延伸至所述下冠部区域的油口。

8.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述活塞本体是整块材料。

9.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述第二部分形成为穿过所述外壁延伸入所述冷却通道内的通孔，并且进一步包括设置于邻近所述外壁的所述通孔内的塞子。

10.根据权利要求9所述的活塞，其特征在于，所述第一部分和所述第二部分在一交叉点处彼此交叉，所述塞子位于所述交叉点和所述外壁之间。

11.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述第一部分形成为围绕所述外壁延伸的环形槽。

12.根据权利要求11所述的活塞，其特征在于，所述第二部分形成为穿过所述外壁延伸入所述冷却通道内并与所述第一部分交叉的通孔。

13.一种构造活塞的方法，其特征在于，包括：

形成一活塞本体，所述活塞本体具有上燃烧表面和围绕下冠部区域的环形的冷却通道，包括环形的环带区域的外壁从所述上燃烧表面悬垂；

在该环带区域内形成环槽；以及

通过形成从环槽径向向内悬垂的油道的第一部分以及从第一部分径向向内上行至冷却通道的第二部分，形成从环槽连续延伸至冷却通道的至少一个油道。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括形成穿过冷却通道的底部表面延伸的油道。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括形成油道的一部分，一管状构件从冷却通道的底部表面向上延伸。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括将该管状构件固定于延伸入该冷却通道的底部表面内的埋头孔内。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括形成穿过凸耳销延伸的管状构件，该凸耳销与底部表面一起形成为整块材料。

18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括通过将上部固定于下部而形成活塞本体，上部和下部界定了冷却通道，并且其中至少一个油道完全形成于下部内。

19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括将活塞本体形成为整块材料。

20.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括形成从冷却通道延伸至下冠部区域的油口。

21.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括将第二部分形成为穿过外壁延伸入冷却通道内的通孔，并且进一步包括在邻近外壁的通孔内设置一塞子。

22.根据权利要求13所述的方法，进一步包括将第一部分形成为围绕外壁的外圆周延伸的环形槽。

23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，进一步包括将第二部分形成为穿过外壁延伸入冷却通道内并与第一部分交叉的通孔。